桑树基于MMDaV基因沉默体系的优化及应用

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桑树是桑科多年生双子叶木本植物,是我国乡土树种和家蚕的天然饲料。此外,桑树还具有改善空气质量、保水固土、防沙等生态功能。作为我国的传统药用植物,其果实、根、茎、叶及其加工副产物都具有很高的药用和保健价值。然而,桑树的基因功能研究开展较晚,严重制约着桑树多种用途综合利用。转基因技术是植物基因功能研究的重要方法,自1985年平野等人证明桑树能被农杆菌侵染以来,研究人员相继开展了大量的桑树转基因研究,然而至今仍然没有建立成熟的转基因体系,严重制约了桑树的基础研究进程,成为了桑树产业提质增效的瓶颈。因此,探索开发新的基因功能研究手段对桑树产业的发展至关重要。病毒诱导的基因沉默技术(VIGS)是借助携带一段植物功能基因部分c DNA片段的病毒载体侵染植物后诱导目标基因发生沉默,通过产生的表型或生理指标变化反映该基因功能的一种方法。自1995年VIGS技术成功建立以来,由于此技术具有简便、快速、易操作等优点,该技术获得了迅速发展并被广泛应用,在植物抗病毒、抗虫、抗逆、生长发育、次生代谢等方面都已取得巨大研究成果。然而在VIGS研究过程中,病毒诱导的基因沉默效率会受到一些因素的影响,例如植物生长的环境温度、插入沉默载体的目标基因c DNA片段的长度和方向、以及插入片段的稳定性等。本研究通过构建基于桑花叶型萎缩病相关病毒(Mulberry mosaic d warf associated virus,MMDa V)的沉默体系,对影响基因沉默效率的一些因素进行了优化探索,并应用该体系对桑树的PDS基因功能进行了验证,同时应用该体系对两个灰霉响应差异表达基因NAC72和MST4进行了功能初探,获得的主要研究结果如下:1.通过对桑树和豇豆接种MMDa V并对非接种部位进行病毒分子检测,表明MMDa V能够在桑树和豇豆的不同部位复制传递,同时,对本实验室保存的12个桑树种质资源进行MMDa V接种,在垂桑、四季果桑和峨眉花桑中MMDa V侵染率最高;在对植株生长和病毒最佳复制温度、插入片段稳定性以及最适接种浓度的优化研究中,结果表明在24℃、OD6000.3时病毒分子能够在桑树中大量复制和传递到不同部位,不会发生插入片段的丢失,且接种植株在此条件下长势良好。在利用MMDa V沉默载体进行PDS基因沉默实验中,在垂桑和峨眉花桑中各获得了两株表现白化的植株,但沉默效率较低。2.为了探索更加高效的沉默体系,利用MMDa V异源辅助2m DNA1沉默载体对垂桑、四季果桑和峨眉花桑PDS基因进行沉默,通过对垂桑和豇豆进行混合接种并对病毒分子进行检测,表明了两者均能在接种植株中复制并向不同部位传递,且不会发生插入片段丢失。随后在2m DNA1沉默载体中插入了PDS基因的部分c DNA片段构建了两个沉默载体,并与MMDa V混合接种垂桑、四季果桑和峨眉花桑,在248bp插入片段沉默载体接种的植株中,分别在垂桑、四季果桑和峨眉花桑中获得了11株、6株和7株表现白化表型的植株,沉默效率分别为7.05%、4.19%和5.01%。同时在298bp插入片段沉默载体接种的植株中,分别在垂桑和峨眉花桑中获得了4株和2株白化植株,沉默效率分别为4.12%和1.38%。相较于单独使用MMDa V作为沉默载体时,沉默效率显著提高。3.为进一步验证该体系能否用于桑树基因功能研究,利用MMDa V异源辅助2m DNA1沉默载体沉默对两个灰霉响应差异表达基因NAC72和MST4进行沉默,并对沉默植株进行灰霉菌回接。在川桑NAC72和MST4基因沉默植株中,灰霉菌病斑显著减小,而在垂桑和峨眉花桑中,NAC72基因沉默植株灰霉菌病斑面积也显著减小,但在MST4基因沉默植株中病斑面积与野生型相当,表明NAC72基因的沉默可能在灰霉菌侵染过程中促进了抗性基因的表达,增强桑树对灰霉菌的抗性。本研究为桑树响应灰霉菌侵染提供了一个可供参考的基因,同时表明了该沉默体系能够用于桑树基因功能的快速鉴定,为桑树基因功能研究提供了一个新的研究手段。
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