【摘 要】
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油菜黑胫病是全世界范围内的真菌病害,造成了严重的油菜产量损失,致病菌是Leptosphaeria maculas/Leptosphaeria biglobosa 的复合种,目前我国只发现L.biglobos a的存在,未发现L.maculas。L.biglobsa属于死体营养型真菌,发病率约10%,呈逐步扩散趋势,而我国没有相应的高抗品种。揭示油菜与病原菌L.biglobosa互作的分子机制和挖掘
【基金项目】
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内蒙古科技计划项目(201505018);
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油菜黑胫病是全世界范围内的真菌病害,造成了严重的油菜产量损失,致病菌是Leptosphaeria maculas/Leptosphaeria biglobosa 的复合种,目前我国只发现L.biglobos a的存在,未发现L.maculas。L.biglobsa属于死体营养型真菌,发病率约10%,呈逐步扩散趋势,而我国没有相应的高抗品种。揭示油菜与病原菌L.biglobosa互作的分子机制和挖掘关键抗病基因非常必要。本研究基于RNA-Seq测序技术,对响应黑胫病菌侵染的油菜进行高通量测序,获取了油菜与L.biglobosa互作相关的差异表达基因,利用时间序列聚类(STEM)和KEGG富集分析,挖掘出抗性相关基因和关键代谢途径,结合基因共表达网络分析,挑选抗病相关基因BnNAC61进行表达模式和功能研究。具体研究结果如下:(1)通过RNA-Seq测序,分别在L.biglobosa侵染油菜4,12,24,36,48,96 h的不同时间点得到差异表达基因3384,2270,3802,5811,6155,7153个。利用短时间序列聚类(STEM)和KEGG富集分析差异表达基因,结果发现,抗病相关基因主要集中在植物病原菌互作,蛋白激酶,芥子油苷合成和茉莉酸合成途径。进一步分析差异表达基因,发现MAPK信号级联反应模式及转录因子WRKY、NAC、bHLH、MYB在油菜抗病反应中发挥关键作用。植物激素茉莉酸/乙烯信号途径发挥主导抗性作用,还有次级代谢产物芥子油苷是参与抗病的重要物质。(2)通过系统生物学方法构建加权基因共表达网络,共得到20个特征基因表达模块。其中6个模块为不同接种时间点的特征模块,反映了依次以强化细胞壁、超敏反应、蛋白酶抑制剂基因表达、抗性基因表达为主的抗性反应顺序,并挖掘出早(12 h)、中(48 h)、晚(96 h)3个特征模块的hub基因。(3)基于以上结果,发现BnNAC61上调表达且和抗病基因有较高的连接度。因此,从甘蓝型油菜中克隆获得BnNAC61基因,研究发现,BnNAC61具有两个编码相同蛋白的拷贝基因,CDS全长846bp,编码281个aa,分析BnNAC61的启动子,发现存在响应茉莉酸甲酯、脱落酸、生长素和抗性相关的顺式作用元件。构建融合表达载体,对BnNAC61蛋白进行亚细胞定位,发现其在细胞核和细胞膜中表达。利用酵母双杂系统,对BnNAC61的转录自激活活性进行分析,发现转录激活区域位于136~208aa 区段。(4)对BnNAC61表达模式研究,发现在不同组织根、茎、叶、花、角果和雌蕊中都有表达,但在叶中表达量最高。对不同逆境PEG6000、NaCl、4℃胁迫处理下,BnNAC61表达量呈现先升高后降低的趋势;不同激素脱落酸(ABA)、水杨酸(SA)、茉莉酸甲酯(MeJA)、乙烯(ACC)处理下,BnNAC61的表达量除ABA外,其余激素处理下表达量均比对照高,但在茉莉酸甲酯和乙烯的诱导下表达量最高。(5)分别构建BnNAC61的过表达载体和RNAi载体,遗传转化获得转基因植株,与野生型相比,过表达转基因植株对黑胫病菌的抗性增强,而RNAi转基因植株的抗性减弱,说明BnNAC61对油菜抗黑胫病菌起到正调控作用。进一步分析转基因植株抗性相关基因的表达情况,发现茉莉酸合成酶的基因LOX3、AOC、AOS在过表达植株上调表达,而在RNAi干扰植株下调表达,说明BnNAC61可能参与调控茉莉酸合成过程。综上所述,本研究解析了油菜与病原菌L.biglobosa互作的分子机制,初步阐明油菜在响应死体营养型真菌L.biglobosa侵染时,油菜的防御反应及抗病机理,并首次对抗性相关基因BnNAC61的功能进行了深入研究,为全面揭示油菜与L.biglobosa互作的分子机制提供了理论依据,为培育油菜抗病品种积累了基因资源信息。
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