小麦凝集素类受体激酶TaLecRLK1的鉴定及抗锈病功能分析

凝集素类受体激酶(lectin receptor-like kinase, LecRLKs)是一类在植物应答多种生物/非生物胁迫中发挥重要作用的类受体激酶。本研究在小麦与条锈菌互作的转录组中筛选到1个在小麦与条锈菌非亲和互作中显著上调表达的LecRLKs基因TaLecRLK1。该基因全长2 292 bp,编码蛋白含有1个胞外信号肽、B-lectin结构域、PAN＿AP结构域、跨膜域和胞内酪氨酸激酶域。qRT-PCR分析表明：TaLecRLK1在小麦与条锈菌非亲和互作早期诱导表达,在烟草及小麦原生质体中瞬时表达,TaLecRLK1-GFP定位在细胞膜上。利用大麦条纹花叶病毒介导的基因沉默技术(BSMV-VIGS)沉默TaLecRLK1,接种无毒性条锈菌小种CYR23后,沉默叶片表面产生少量夏孢子堆,组织学观察发现沉默植株中条锈菌菌丝长度增长、侵染点附近活性氧积累面积减少;TaPR1、TaPR2、TaPR5的表达受到抑制,TaCAT和TaSOD则被迅速诱导表达。综上所述,TaLecRLK1对小麦抗条锈病起到正调控作用。     

小麦-条锈菌互作过程中TaRLK3D.2功能初步研究

小麦条锈病是由小麦条锈菌引起的气传性真菌病害,在全球小麦种植区广泛发生,严重威胁小麦的安全生产。充分利用寄主抗病性是防治条锈病最经济的方法。富含亮氨酸重复类受体蛋白激酶(leucine-rich repeat receptor-like protein kinase, LRR-RLK)作为RLK家族最大分支的模式识别受体,在防御病菌入侵方面发挥重要作用。本研究系统鉴定了小麦LRR-RLKs家族成员,从小麦与条锈菌互作的转录组数据库中筛选出了43个显著差异表达的LRR-RLKs,最后选取了在亲和与非亲和互作过程中都显著上调表达的TaRLK3D.2为对象,利用实时定量PCR、亚细胞定位及大麦条纹花叶病毒介导的基因沉默初步研究了该基因在小麦与条锈菌互作过程中的功能。结果表明TaRLK3D.2定位于植物细胞膜,瞬时沉默TaRLK3.2后,条锈菌侵染严重度显著下降,生长发育变慢。作为典型的LRR-RLKs家族成员,TaRLK3D.2在小麦条锈菌侵染过程中可能行使感病功能。本研究初步明确了该基因的功能,以该基因为靶标通过基因编辑或诱变获取稳定的功能缺失突变体可创制持久抗条锈病材料,为生产服务。     

PstVosA1转录因子基因在调控小麦条锈菌耐高温反应中的生物学功能分析

 小麦条锈病是典型的冷凉生态区气传真菌病害,病原菌在越夏易变区(即秋季菌源基地)的越夏情况决定了冬季繁殖区条锈菌的初侵染菌源。小麦条锈病的发生流行极易受到温湿度关键气象因子的影响。近年来的调查研究发现,我国小麦条锈菌越夏海拔下限逐年下降,且越夏区范围进一步扩大,说明条锈菌耐高温胁迫能力增强,给未来小麦条锈病流行规律研究及制定防治策略带来了全新挑战。真菌特有的Velvet转录因子家族中VosA基因参与了真菌生长发育和次生代谢的调控,但关于该转录因子在条锈菌耐高温性中的作用却知之甚少。实时荧光定量PCR分析发现,温度敏感菌系蓬9和耐高温菌系A4在侵染寄主过程中PstVosA1基因均受高温胁迫诱导表达,但耐高温菌系PstVosA1相对表达水平明显高于温度敏感菌系蓬9。利用寄主诱导的基因沉默技术(HIGS)沉默小麦条锈菌耐高温菌系A4中的PstVosA1基因能显著降低在高温(21℃)接种条件下的平均发病严重度、孢子堆密度和生物量。研究结果说明PstVosA1基因正调控小麦条锈菌耐高温胁迫反应过程,增加该基因的表达水平,有利于增强小麦条锈菌耐高温性。     

小檗NPR1在小麦条锈菌侵染过程中的表达特征

小檗是小麦条锈菌的转主寄主,自然条件下在小檗上进行有性生殖不仅是条锈菌毒性变异的重要途径,也为病害的流行提供了初侵染源。目前条锈菌与小麦互作已经有较为细致深入的研究,而条锈菌与小檗分子互作的研究未见报道。NPR1是植物调控防卫反应的一个关键基因,本研究克隆得到小檗NPR1基因(BhNPR1),并对BhNPR1及其下游病程相关基因的表达模式进行了分析。与小麦NPR1基因受条锈菌夏孢子侵染诱导不同,BhNPR1的表达水平在条锈菌担孢子侵染小檗过程中保持稳定。另外,条锈菌侵染小檗过程中NPR1下游的病程相关基因BhPR5和BvPDF1.2a的表达量变化也不明显,而BhPR1和BhPR2则显著上调表达。这些结果表明BhNPR1及多个病程相关基因不参与对条锈菌的防卫反应,这可能是导致小檗先天免疫缺陷而成为多种锈菌共同的转主寄主。     

小麦锈菌蛋白激酶基因家族的鉴定与生物信息学分析

为深入分析锈菌结构基因组,阐明锈菌毒性变异的分子机制,本研究通过生物信息分析方法,对3种小麦锈菌蛋白激酶(protein kinases,PKs)超家族预测基因进行了系统分析,利用COG(clusters of orthologous groups of proteins)、KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)、GO(gene ontology)和PHI(pathogen-host interactions)数据库进行注释分析,并对小麦锈菌MAPK基因的蛋白质互作网络进行预测。结果表明,条锈菌Puccinia striiformis、叶锈菌P.triticina和秆锈菌P.graminis的PKs基因数量分别为221、159和159个,不同PKs基因家族类型在3种锈菌中的数量分布上表现出很高的保守性。注释分析表明,PKs家族预测功能涉及病原菌生长发育中的调控作用和病原菌-寄主互作机制,包括信号传导和致病因子等。PKs家族核心基因数目在蛋白激酶基因中占比大于1/3。MAPK基因的催化结构域序列呈现高度相似性。以STRING数据库的酿酒酵母蛋白质互作网络信息为参考,对小麦锈菌MAPK基因的蛋白质互作网络进行预测,共鉴定出25个互作关系,包含29个MAPK基因。研究表明这3种锈菌之间MAPK互作蛋白质分布不均衡,这可能反映了锈菌基因组进化的特殊复杂性。     

蛋白激酶TaPiPK1在小麦抗条锈病反应中的功能分析

由条形柄锈菌小麦专化型Puccinia striiformis f. sp.tritici(Pst)引起的条锈病,长期严重威胁小麦安全生产。Pst通过毒性变异产生新毒性小种或致病类型,能克服生产上已应用的抗病基因,导致抗病品种感病。因此,挖掘抗条锈病基因资源对小麦抗病遗传改良和加快抗病新品种培育具有重要意义。蛋白激酶在应答病原菌侵染,传递植物免疫信号中发挥重要作用。本研究通过小麦转录组数据分析,筛选到参与应答Pst、小麦白粉菌Blumeria graminis f. sp.tritici和赤霉病菌Fusarium graminearum侵染的蛋白激酶基因TaPiPK1。该蛋白激酶基因编码551个氨基酸,C末端含有一个STK激酶结构域。利用RT-qPCR检测发现,TaPiPK1在小麦与条锈菌非亲和互作的前期上调表达;TaPiPK1主要定位于细胞质与细胞膜。利用大麦条纹花叶病毒介导的基因沉默技术(BSMV-VIGS)瞬时沉默TaPiPK1,显著降低小麦‘水源11’对条锈菌非亲和小种CYR23的抗性,表明TaPiPK1参与小麦抗条锈病反应并发挥重要作用。因此,TaPiPK1有可能作为潜在的基...     

小檗公式在小麦条锈菌侵染过程中的表达特征

 小檗是小麦条锈菌的转主寄主,自然条件下在小檗上进行有性生殖不仅是条锈菌毒性变异的重要途径,也为病害的流行提供了初侵染源。目前条锈菌与小麦互作已经有较为细致深入的研究,而条锈菌与小檗分子互作的研究未见报道。NPR1是植物调控防卫反应的一个关键基因,本研究克隆得到小檗NPR1基因(BhNPR1),并对BhNPR1及其下游病程相关基因的表达模式进行了分析。与小麦NPR1基因受条锈菌夏孢子侵染诱导不同,BhNPR1的表达水平在条锈菌担孢子侵染小檗过程中保持稳定。另外,条锈菌侵染小檗过程中NPR1下游的病程相关基因BhPR5和BvPDF1.2a的表达量变化也不明显,而BhPR1和BhPR2则显著上调表达。这些结果表明BhNPR1及多个病程相关基因不参与对条锈菌的防卫反应,这可能是导致小檗先天免疫缺陷而成为多种锈菌共同的转主寄主。     

条锈菌诱导的小麦EF手钙离子绑定蛋白基因TaCab1的功能初步分析

 根据小麦EF手钙离子绑定蛋白(TaCab1)基因序列,利用WMD3软件设计特异的人工miRNA (amiRNA),构建VIGS沉默载体。利用amiRNA-VIGS体系,对小麦的TaCab1基因的功能进行了初步分析。利用Northern blot和实时定量PCR技术分别检测了amiRNA的积累及TaCab1的沉默效率,并利用显微观察技术统计条锈菌侵染小麦后的组织学差异。结果表明,amiRNA可以得到有效的积累,其靶标基因TaCab1可以得到有效的沉默。从表型上看,小麦叶片上条锈菌夏孢子的产孢量也在一定程度上有所降低。组织学观察发现当TaCab1被沉默后,寄主细胞的坏死面积在侵染后期明显增大,条锈菌的菌丝分枝数也明显增多,但菌丝长度明显变短。     

小麦丙氨酸氨基转移酶基因TaAlaAT1的克隆及表达特征分析

 在已构建的受条锈菌(Puccinia striiformis f.sp.tritici)诱导的小麦非亲和抑制差减杂交(suppression subtractive hybridization,SSH)文库中,筛选到1个与水稻丙氨酸氨基转移酶基因高度相似的表达序列标签(expressed sequence tag,EST),利用电子克隆与RT-PCR相结合的方法,从小麦中获得1个1563bp的cDNA序列,命名为TaAlaAT1。序列分析表明,TaAlaAT1包含1个完整的开放阅读框,长1440bp,推测编码479个氨基酸。该氨基酸序列具有氨基转移酶的保守特征,与水稻、葡萄、大豆、拟南芥、苜蓿等多种植物的丙氨酸氨基转移酶高度相似,其中与水稻的亲缘关系最近。半定量RT-PCR与实时定量PCR结果显示,TaAlaAT1在小麦与条锈菌互作的非亲和组合中总体呈上调表达,在亲和组合中呈下调表达,且在2个组合中的表达差异显著。推测TaAlaAT1参与了小麦对条锈菌的防御反应。     

小麦条锈菌效应蛋白HASP2抑制寄主免疫反应

 由小麦条锈菌(Puccinia striiformis f.sp. tritici,Pst)引起的小麦条锈病是小麦上的重要病害。研究小麦条锈菌在致病过程中分泌的毒性效应蛋白分子的功能,对揭示小麦条锈菌致病机理,进而研发病害防治新方法具有重要意义。前期在小麦条锈菌吸器转录组中筛选到一个高丰度表达的分泌蛋白基因HASP2。HASP2基因全长240 bp,其编码的蛋白质N端包含22_aa的信号肽,无跨膜区,无结构域。qRT-PCR显示HASP2在条锈菌CYR32侵染早期上调表达;农杆菌介导的烟草瞬时表达实验表明HASP2能够抑制由小鼠凋亡蛋白BAX诱导的烟草细胞坏死;利用细菌三型分泌系统(T3SS)将 HASP2在小麦中过表达,发现其可以抑制寄主PTI(PAMP-triggered immunity)相关胼胝质积累;同时对HASP2过表达的小麦接种无毒性菌系CYR23后,发现HASP2可以抑制寄主ETI(Effector-triggered immunity)相关活性氧积累和减少细胞坏死面积,但HASP2过表达对条锈菌的生长发育没有显著影响。     

防御相关激素与纹枯病菌处理下水稻VQ基因家族的转录分析

VQ蛋白与WRKY转录因子互作,调节植物防御反应.本研究分析了水稻VQ基因家族在水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)、乙烯(ET)3种防御相关激素和纹枯病菌(Rhizoctonia solani)处理下的转录表达谱.结果表明,水稻VQ基因家族有1/3以上成员至少响应一种处理,OsVQ2、-11和-35的表达在3种激素处理下均...     

利用BSMV Agro/LIC进行小麦条锈菌耐高温 相关基因功能分析的互作体系构建

为利用HIGS技术研究条锈菌耐高温胁迫相关基因的功能,需要构建小麦品种与条锈菌及大麦条纹花叶病毒Barley stripe mosaic virus(BSMV)亲和互作体系。本研究选用20个常温下(10℃)高感条锈病的小麦品种和22个耐高温条锈菌菌株,进行高温(21℃)条件下接种亲和性分析,发现11个品种高感条锈病、3个菌株耐高温性稳定且毒性谱较宽。在此基础上,利用含有小麦TaPDS基因片段的重组BSMV侵染上述候选小麦品种,确定‘Local Red'等6个品种与BSMV亲和程度符合试验要求。筛选出小麦品种‘Local Red'与菌株15335-2、15323-4等组成的最佳互作组合,适合利用BSMV Agro/LIC方法开展小麦条锈菌耐高温相关基因功能的研究。     

小麦类病变LSD基因全基因组鉴定与转录组分析

类病变(lesion simulating disease, LSD)基因编码锌指蛋白家族, 在细胞程序性死亡(PCD)和其他生物过程中发挥作用。本研究鉴定了普通小麦Triticum aestivum和其3种亚基因组供体乌拉尔图小麦T.urartu、野生二粒小麦T.dicoccoides和节节麦Aegilops tauschii中LSD基因家族。结果表明, 普通小麦、乌拉尔图小麦、野生二粒小麦和节节麦中分别含有24、4、10个和5个LSD基因; 同源性分析表明, 普通小麦相关的同源物共70对, 有38对旁系同源物(54%)。蛋白质特征显示, 13个(54%)TaLSD基因含有3个zf-LSD1结构域, 大部分TaLSD为碱性蛋白质、不稳定蛋白质和非亲水蛋白质; 转录组分析表明, 小麦LSD基因的表达量与禾谷镰刀菌、白粉菌和条锈菌的侵染紧密相连。     

感染大麦黄矮病毒的小麦中vsiRNA特征分析

 RNA沉默是植物中一种保守的抗病毒机制,其以大量病毒来源的小干扰RNA(virus-derived small interfering RNAs,vsiRNAs)的产生为标志,病毒在侵染寄主过程中可通过vsiRNAs靶向寄主转录本以对抗这种防御机制。BYDV-GAV引起的小麦黄矮病导致小麦黄化和矮化症状,对小麦生产构成严重威胁。通过深度测序技术,分析了感染BYDV-GAV的感病小麦品种‘小偃6号’中vsiRNAs的特征,共得到11 384个vsiRNAs,并预测到37 784个寄主靶基因。发现来源于BYDV-GAV基因组的正义和反义链的vsiRNAs的数量分布大致相等,在5’末端具有A和C偏好性,长度主要在21nt~22nt。靶基因的功能分析表明这些靶基因参与了广泛的生物学功能,尤其是在寄主-病原物互作中占的比重最大。选取25个参与寄主-病原互作的抗性相关基因进行定量验证,发现接种BYDV-GAV后有15个明显下调,6个上调,4个微弱下调,表明测序结果和靶基因预测可靠。推测BYDV-GAV可以通过vsiRNAs干扰寄主抗性基因表达和信号转导,从而实现对感病寄主的侵染。研究结果对揭示BYDV-GAV与小麦互作的分子机制具有重要意义。     

基因枪法导入GUS基因获得小麦条锈菌突变体

 采用基因枪转化法用带有β-葡糖醛酸酶(GUS)报告基因的质粒pGUS6L20转化小麦条锈菌,建立了优化的转化体系;在转化当代的条锈菌中得到了GUS基因瞬时表达的菌株;连续继代转接培养后,在转化后第1代(T1)和第2代(T2)条锈菌中检测到了GUS基因稳定表达的菌株;利用GUS报告基因和毒性标记相结合的方法,经过3代筛选鉴定,在小麦条锈菌中国鉴别寄主尤皮Ⅱ号和抗引655上,各获得1个稳定的毒性突变体,经PCR及PCR-southern blot证实外源片段已整合到毒性突变菌株的基因组中。该研究表明基因枪转化法是获得条锈菌毒性突变体的有效方法。     

感染大麦黄矮病毒的小麦中vsiRNA特征分析

 RNA沉默是植物中一种保守的抗病毒机制,其以大量病毒来源的小干扰RNA(virus-derived small interfering RNAs,vsiRNAs)的产生为标志,病毒在侵染寄主过程中可通过vsiRNAs靶向寄主转录本以对抗这种防御机制。BYDV-GAV引起的小麦黄矮病导致小麦黄化和矮化症状,对小麦生产构成严重威胁。通过深度测序技术,分析了感染BYDV-GAV的感病小麦品种‘小偃6号’中vsiRNAs的特征,共得到11 384个vsiRNAs,并预测到37 784个寄主靶基因。发现来源于BYDV-GAV基因组的正义和反义链的vsiRNAs的数量分布大致相等,在5’末端具有A和C偏好性,长度主要在21nt~22nt。靶基因的功能分析表明这些靶基因参与了广泛的生物学功能,尤其是在寄主-病原物互作中占的比重最大。选取25个参与寄主-病原互作的抗性相关基因进行定量验证,发现接种BYDV-GAV后有15个明显下调,6个上调,4个微弱下调,表明测序结果和靶基因预测可靠。推测BYDV-GAV可以通过vsiRNAs干扰寄主抗性基因表达和信号转导,从而实现对感病寄主的侵染。研究结果对揭示BYDV-GAV与小麦互作的分子机制具有重要意义。     

晚疫病抗性相关基因NbMybl的克隆与功能分析

Myb转录因子广泛参与调控植物生长发育以及应对环境胁迫,但有关其对晚疫病抗性调控机制的研究较少。本研究从本氏烟草中克隆获得一个含Myb-like结构域的蛋白编码基因,命名为NbMybl。该基因开放阅读框全长为753 bp,编码250 aa。实时荧光定量PCR(qPCR)结果显示NbMybl受致病疫霉(Phytophthora infestans)侵染诱导表达。亚细胞定位表明NbMybl定位在植物细胞核和细胞质中。利用病毒诱导的基因沉默技术,发现沉默NbMybl能够明显降低本氏烟草对致病疫霉的抗性。分析比较NbMybl沉默和非沉默对照烟草株系应对P.infestans侵染的转录组数据,发现差异表达基因(Differentially expressed genes, DEGs)8486个,其中上调基因4202个,下调基因4284个。使用KEGG(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)数据库进行基因富集分析,发现鉴定得到的DEGs中共有373个参与植物-病原菌互作,308个参与植物激素信号转导,216个参与植物MAPK信号途径。推测这些DEGs可能与...     

小麦与小麦秆锈菌互作及非亲和机制研究

 本论文选用以中国春(Chinese Spring)为背景的小麦抗秆锈病近等基因系,与我国小麦秆锈菌3个主要生理小种,组成完全非亲和性互作ISr5-Ra/21C₃ CKR (Sr5/P5,侵染型0)、高度非亲和性互作ISr11-Ra/34M KG (Sr11/P11,侵染型0)及中度非亲和性互作ISr6-Ra/34C₂ M FR (Sr6/P6,侵染型1,2),对各类型互作对秆锈菌生长发育的影响、互作中重要酶系活性及同功酶组成、重要生化组分含量变化规律及它们在互作中的可能作用进行了研究。并比较了所用小麦近等基因系及秆锈菌致病型间可溶性蛋白含量和种类、重要酶系活性和同功酶组成的差异,对基因组DN A限制性片段长度多态性进行了研究。     

青海云杉响应锈菌侵染转录组分析

为探究锈菌与青海云杉之间的互作机制,利用Illumina测序平台对青海云杉健康植株和发病植株进行转录组测序,以差异倍数(FC)≥2且错误发现率(FDR)<0.01为标准,共获得15408个差异表达基因,有10296个差异基因上调,5112个差异基因下调。GO注释中,DEGs显著富集到代谢过程、细胞过程、催化活性和结合等过程。KEGG注释中,DEGs显著富集到核糖体、植物与病原互作、内质网蛋白加工、信号转导等过程,通过分析相关通路发现,青海云杉响应锈菌侵染的分子机制受多基因网络系统的调控。为验证RNA-seq数据的可靠性,对10个DEGs进行RT-qPCR表达量检测,验证结果为,RT-qPCR和RNA-seq测得的基因表达趋势基本一致。这有助于深入研究候选基因在青海云杉响应锈菌侵染中的作用,同时也为开展青海云杉抗病功能基因组学研究奠定基础。     

小麦条锈菌cDNA文库构建和表达序列标签(ESTs)分析

 小麦条锈菌(Puccinia striiformis f. sp. tritici)是全世界范围内小麦生产上的重要病原真菌, 但是对小麦条锈菌的基因组和基因功能却了解甚少。为了促进小麦条锈菌基因组学的发展和大规模基因发现, 我们以噬菌体λTrip1Ex2为载体, 采用SMART技术构建了小麦条锈菌萌发夏孢子的cDNA文库。原始文库的滴度为1.1×10⁶pfu/mL, 平均插入片段长度为750 bp。从文库中随机挑取279个cDNA克隆测序, 分析发现这些ESTs的平均GC含量为45.08%。通过聚类分析, 279个ESTs拼接成31个contigs和80 singletons。BLASTx分析表明, 47%的ESTs与GenBank中报道的功能已知或未知蛋白具有相似性。tBLASTx分析表明12个uniseqs与EST数据库中的序列具有相似性, 其中9个是来自担子菌的cDNA文库。几个EST与已知的真菌致病相关基因具有高度相似性。RT-PCR分析了几个基因在小麦条锈菌侵染过程中的表达水平。这些结果为小麦条锈菌夏孢子萌发以及侵染寄主过程中的基因表达研究奠定了很好的分子生物学基础。