草莓属物种系统进化及野生草莓抗白粉病的水杨酸调节机制

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草莓是我国重要的经济作物,栽培草莓(Fragaria×ananassa)味道鲜美,极具营养价值,已在世界范围内种植。然而栽培草莓抗病性差,极易受到病菌特别是白粉病的侵害。相较于栽培草莓来说,野生草莓具有更强的抗病性,且野生草莓是栽培草莓的近缘物种,是培育抗性更强的栽培草莓的重要种质资源。因此,寻找栽培草莓的近缘物种并探究野生草莓的抗病性机制对于培育抗病性更强的栽培草莓具有重要的意义。本研究首先通过叶绿体全基因组对草莓属物种进行系统进化分析,寻找与栽培草莓亲缘关系更近的野生草莓物种;其次以黄毛草莓(F.nilgerrensis)、森林草莓(F.vesca)、绿色草莓(F.viridis)、裂萼草莓(F.daltoniana)和五叶草莓(F.pentaphylla)等五种野生草莓为研究对象,确定其抗病性强弱;最后通过转录组分析在白粉菌胁迫下野生草莓的水杨酸(Salicylic acid,SA)调节机制。主要研究结果如下:(1)对草莓属11个物种的27条叶绿体全基因组进行结构和进化分析发现,草莓叶绿体基因组高度保守,其非编码区比编码区变异性更高。叶绿体的反向重复区(Invert Region,IR)有不同程度的收缩和扩张,因此造成了其序列长度的不同。另外,鉴定出了5个非编码区,包括trn S-trn G、trn R-atp A、trn C-pet N、rbc L-acc D、和psb E-pet L,可用于DNA条形码的开发从而快速鉴定物种。通过构建系统发育进化树发现所有的物种被分为A、B两组,A组物种主要分布在中国西南地区,B组中的物种主要来自欧洲和美洲。进化分析表明八倍体智利草莓(F.chiloensis)和弗州草莓(F.virginiana)拥有共同的异源多倍体起源,四倍体西南草莓(F.moupinensis)和高原草莓(F.tibetica)也拥有共同的异源多倍体起源。(2)通过对五种野生草莓的发病情况进行调查统计,确定了五种野生草莓的抗病性强弱。黄毛草莓、森林草莓、绿色草莓、裂萼草莓和五叶草莓的发病率(%)分别为59.84±8.02a、17.95±2.063c、37.82±3.09b、30.00±1.92b、33.71±2.83b;病情指数(%)分别为33.66±2.74a、12.90±1.16bc、22.15±2.55b、22.33±3.10b、18.48±1.73c,由此可见抗病最强的为森林草莓,最弱的为黄毛草莓。(3)采集白粉菌侵染0、3、7、10 d的森林草莓和黄毛草莓叶片进行酶活性测定,结果表明除苯丙氨酸解氨酶之外,森林草莓和黄毛草莓的超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、多酚氧化酶等酶的活性均呈现先升高后下降的趋势,这是野生草莓对病原菌的正常应激反应。另外,除多酚氧化酶外,森林草莓中其余酶活性的增幅均比黄毛草莓大,体现了森林草莓对白粉病更强的抗性。(4)对森林草莓和黄毛草莓的对照组和白粉菌处理组进行转录组分析发现,相对于对照组来说,白粉菌侵染的森林草莓共有1,657个差异表达基因,其中1,442个基因表达上调;而黄毛草莓有993个差异表达基因,其中265个上调。通过对SA的合成和信号通路挖掘确定了29个与SA合成和信号通路相关的差异表达基因。白粉菌侵染后,野生草莓可能主要通过上调ICS(Fv2339_4g32070)基因表达,促进ICS(Isochorismate synthase)途径依赖的SA合成;同时上调PAL(Fv2339_6g16470,Fv2339_7g20020)基因促进PAL(Phenylalanine ammonia-lyase)途径依赖的SA合成;其中ICS途径是野生草莓合成SA的主要途径。NPR1(Fv2339_3g11320)可能是白粉菌胁迫下野生草莓SA信号转导的关键基因。通过相关性分析确定了67个与SA合成和信号转导相关的转录因子,分别属于WRKY、NAC、MYB、b ZIP、TCP、ERF、HSF、GRAS、B3等10个家族。白粉菌胁迫下,野生草莓可能通过TCP9(Fv2339_5g01380)和ANAC072(Fv2339_3g19980)等转录因子调控ICS的表达,通过WRKY70(Fv2339_6g10060,Fv2339_6g10050)调控PAL的表达,从而影响SA的合成。在野生草莓的SA信号转导途径中,WRKY53(Fv2339_7g31430)可能作为关键转录因子与NPR1结合以诱导PR-1的表达。森林草莓SA的合成与信号转导相关基因及在此过程起到调控作用的转录因子基因都表现出应有的显著上下调趋势,以促进SA的合成和抗病相关蛋白的表达以对白粉病菌产生抗性,黄毛草莓则不然,这可能是森林草莓比黄毛草莓抗性强的原因。
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