黑穗病菌侵染初期甘蔗幼苗光合生理变化及基因差异表达

【摘要】甘蔗具有高效的碳同化能力,单位面积产量高,是重要的糖料和能源作用。甘蔗黑穗病是一种由真菌(UstilagoScitamineaSyd.)引起的气传性病害,几乎在全球各个植蔗国均有发生此病的报道,它能够导致蔗茎产量和蔗糖分的严重损失。目前关于甘蔗响应黑穗病菌的机理还不清楚,特别是对甘蔗幼苗在黑穗病菌侵染初期的分子响应机制更是缺乏了解。本研究采用人工针刺接种甘蔗黑穗病菌,测定了甘蔗幼苗在病原菌侵染初期其光合和荧光参数的变化；分别在翻译水平和转录水平上研究其基因差异表达情况；并克隆了四个与黑穗病菌胁迫相关基因的全长并对它们在不同胁迫条件下的表达情况进行了分析。结果发现：1.甘蔗幼苗的叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)在黑穗病菌侵染的前3d均降低,第4d出现升高,胞间CO2浓度(Ci)在黑穗病菌侵染的前3d均升高,第4d降低。叶绿素荧光参数Fv、Fm、ΦPSⅡ、Fv/Fm和Fv’/Fm’在病原菌侵染初期均下降,但在侵染3d后迅速增加,可见甘蔗幼苗对病原菌的侵染表现出积极的响应。相关性分析发现Pn与Gs、Tr的相关系数达到了0.800以上,呈显著正相关；Ci与Fv’/Fm’和ΦDPSⅡ显著正相关；Fo与Fv/Fm、Fs及ETR呈显著正相关；Fv/Fm与Fv’/Fm’呈显著正相关;Fs与Fv’/Fm’呈显著正相关；Fv’/Fm’与ΦPSⅡ呈显著正相关。2.在翻译水平上共获得34个差异蛋白质点,其中有26个蛋白点表现为明显的上调表达,有8个蛋白质点表现为下调表达。质谱分析后共成功鉴定了18个蛋白质点。根据它们的生化功能,可将其分为7类,其中参与防卫反应的蛋白所占比例最大为29%,其次为参与代谢反应的蛋白占23%,参与光合作用的占18%,参与蛋白加工的占12%,参与信号转导的占6%,参与细胞生长和分化的占6%,功能未知的占6%。3.在转录水平上,成功构建了一个甘蔗幼苗响应黑穗病菌侵染的正向抑制消减杂交文库,共成功测序获得224个EST序列,其中有199条表达序列标签(ESTs)成功获得了功能注释。GeneOntology分析发现,在细胞组分二级水平分类中,有152个unigenes被注释了241次,可细分为8类,其中共质体、包膜和细胞外区域所占比例较小,而细胞、细胞器和大分子复合体所占比例较大,分别为36.7%和19.3%,表明甘蔗黑穗病病原菌对蔗株细胞内部的功能差异产生影响。在生物过程的二级水平分类中,有139个unigenes共被注释了273次,可将其细分为18类,其中涉及代谢过程和细胞过程的功能多,分别被注释85次和74次,这反映了蔗株所具有的基本生命活动。另外涉及刺激物响应和生物调节的也分别被注释了28次和17次。在分子功能的二级水平分类中,有129个unigenes共被注释了132次,可细分为8类,其中涉及结合(binding)和催化活性(catalyticactivity)的所占比例大,分别被注释了49次和61次,这两类蛋白的主要参与调控反应,这反映出甘蔗受黑穗病病原菌侵染后基因的差异表达主要是受某种因子所调控的,因此在分析差异基因时要注意其是否受到别的基因的调控,综合考虑其作用机制。4.克隆获得苯丙氨酸解氨酶(PAL),S-腺苷甲硫氨酸合成酶(SAM),木葡聚糖内糖基转移水解酶(XTH)和Nudix水解酶(NUDT)基因的全长。并对它们在生物胁迫(黑穗病病原菌)和非生物胁迫(干旱、低温、高盐和氧化)下的表达情况进行了分析,为这些基因在甘蔗分子辅助抗性育种中的应用提供理论依据。
【作者】宋修鹏；
【导师】杨丽涛；
【作者基本信息】广西大学，作物栽培学与耕作学，2014，博士
【关键词】甘蔗；黑穗病；光合生理；分子机制；克隆；表达；

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