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大豆富含蛋白质和脂肪,是重要的油料、饲料和生物能源作物;大豆胞囊线虫病是一种世界范围内普遍存在的为害大豆生产的重要病害。不同品系间,胞囊线虫的敏感性差异很大,抗性品系的种植是抵御大豆胞囊线虫侵害的重要手段;植物在对抗线虫胁迫的过程中,进化出一种适应的分子机制,通过调节基因的表达,重建细胞内稳态,达到对线虫侵染的适应和抵御。
miRNA通过介导具有同源序列的靶基因mRNA裂解或抑制其翻译,在转录后基因沉默过程中发挥重要的作用;本研究利用solexa技术对四个大豆根系小RNA文库进行测序,共鉴定出304个miRNA基因,其中71个为大豆已知miRNA,首次在大豆中发现、植物中保守的miRNA基因41个以及192个新的miRNA候选基因,其中140个miRNA基因对应756个靶向基因,涉及植物生长发育和环境响应各个方面。
通过样本之间大豆已知miRNA表达量比较分析,筛选大豆根系线虫胁迫响应miRNA,在线虫敏感性不同的两个品系中,存在相同响应的miRNA家族,大部分表达量显著差异的miRNA在品系间表达模式并不相同:gm-miR319、gm-miR2119等在品系间具有相同调节机制的线虫胁迫应答基因,代表了大豆抗胞囊线虫共同的响应机制;gm-miR159bc、gm-miR390b、gm-miR398ab在抗性品系中,表达量差异显著,可能参与抗性品系特有的抗线虫机制。gma-miR1523在辽豆10中表达丰度较高,gma-miR159b、gma-miR159c在抗性品系中表达量高,表现出明显的品系相关性。
植物抗病性是植物与其病原物在长期的协同进化过程中相互适应、相互选择的结果,在演化过程中的不同时空段存在着不同抗感基因的激活或失活及复杂的相互作用。本研究将SAGE技术应用于solexa测序,对两个品系的线虫处理组和对照组根系基因表达情况进行分析;产生了超过9M的reads,每个样品产生超过270000条unique的序列标签,代表了超过18114个大豆已知基因。
哈尔滨小黑豆线虫胁迫应答基因中,表达量上调的1302个,下调的1099个;感性品系辽豆10中,3419个基因在处理组表达丰度更高,表达量下调的基因有1323个。对胁迫应答基因功能进行初步分析,得到如下结果:(1)线虫侵染影响大豆根系中转录因子的表达量,进而影响下游基因的转录和翻译。(2)蛋白激酶编码基因参与胁迫应答,众多蛋白激酶表达量发生变化,磷脂酶的表达量上调。(3)线虫胁迫影响植物细胞壁及细胞骨架结构。(4)线虫胁迫条件下,光合作用受到抑制,依赖泛素的蛋白水解途径作用增强。(5)感性品系在线虫胁迫后期,核糖体蛋白表达量增加。(6)部分已报道的R基因及PRs蛋白在本研究中检测到表达模式受线虫胁迫发生变化。
本研究利用新一代高通量的测序手段,筛选抗性品系哈尔滨小黑豆和主栽培品系辽豆10在胞囊线虫侵染前后差异表达的基因及miRNA,对理解大豆应对线虫侵染的分子机制、揭示不同品系间线虫敏感性差异的分子基础有重要的意义。