水稻—小麦条锈菌互作研究及G3P在小麦SAR中的功能研究

【摘要】小麦条锈病是由条形柄锈菌小麦专化型（Pucciniastiiformisf.sp.tritici）造成的气传真菌病害，是威胁全球小麦生产最重要的病害之一。种植小麦抗病品种是目前控制小麦条锈病最为有效、经济以及对环境安全的方法。然而，由于大部分生产上广泛应用的抗性基因已被新的毒性小种克服，而且常规杂交育种的速度往往滞后于病原菌小种变异的速度。因此，要确保我国粮食安全生产，实现病害持久控制，就必须改变原有思路，寻找新的持久抗锈病基因资源。作为最常见和重要的防卫机制，非寄主抗性（non-hostresistance,NHR）是一种植物所有基因型对病原菌全部小种具有的典型抗性。非寄主抗性是植物在长期进化过程中形成的最基本，最古老也是最广泛的抗病形式。与R基因介导的抗性不同，非寄主抗性并不针对病原微生物的某些小种，而是对该病原菌的全部小种，甚至该病原菌所在的属均产生抗性。非寄主抗性还具有很强的稳定性，并不因为病原菌的变异而丧失抗性。因此，挖掘非寄主抗性基因资源对实现条锈病的持久防控具有良好的应用前景。水稻（OryzasativaL.）是唯一一种不能被锈菌侵染且大规模种植的禾本科粮食作物，水稻对锈菌的抗性即为非寄主抗性。因此，本研究主要利用组织学、蛋白质组学及遗传学研究方法对水稻–小麦条锈菌非寄主互作体系进行了系统研究，从而加深了对植物非寄主抗性机制的认识，也为最终获得水稻抗锈基因奠定了基础。本研究获得的主要结果如下：1、利用组织细胞学研究方法研究23份水稻品种对小麦条锈菌CYR32的非寄主抗病性，结果表明80%以上的小麦条锈菌夏孢子都在水稻叶片上萌发并产生芽管。接种10天后的粳稻叶片上仅能观察到极少量的气孔下囊，而相对较多的芽管能够识别并进入籼稻叶片的气孔形成气孔下囊，随后在叶肉细胞间隙形成侵染菌丝进而在相邻细胞中形成吸器，最终可以观察到大量面积不等的侵染菌落。以上观察结果表明，籼稻比粳稻更易被小麦条锈菌所侵染，且不同籼稻品种对小麦条锈菌的非寄主抗性水平也表现出遗传多样性。粳稻-条锈菌互作中有H2O2的大量积累，而在籼稻-条锈菌互作中并未观察到H2O2的积累。同时，一系列水稻ROS相关基因在条锈菌侵染后被诱导表达，表明ROS是粳稻抵御条锈菌侵染的主要防卫机制之一；2、利用蛋白质组学研究方法（2-DE）分析水稻品种日本晴接种CYR32后的差异表达蛋白，共筛选出具有显著差异（P<0.05）的31个蛋白点，其中24hpi处理组的差异蛋白点有15个，48hpi处理组的差异蛋白点有16个。其中包含参与信号转导、抗病抗逆、光合作用、能量代谢、蛋白核酸合成及氧化还原反应等蛋白。鉴定出的甘油醛-3-磷酸脱氢酶和磷酸甘油酸激酶同属糖酵解途径，主要参与ROS诱导的胁迫响应。抗坏血酸过氧化物酶OsAPx8的上调表达表明水稻体内活性氧清除系统也参与到了抵御条锈菌侵染过程。FtsH蛋白酶和热激蛋白Hsp70都被诱导上调，且二者得互作能够导致H2O2的过量生成及HR反应的产生。水稻Lr10类似蛋白的诱导表达说明该基因很有可能参与水稻对条锈菌效应子的识别，从而激发典型的非亲和抗病反应，同时也表明寄主抗病机制与非寄主抗病机制之间存在某种内在联系；3、为鉴定水稻中抗小麦条锈病的基因和遗传机制，以对小麦条锈病非寄主抗病性减弱的水稻突变体crr1（compromisedresistancetorust1）为父本，抗小麦条锈病水稻品种中花11为母本进行杂交组合。利用小麦条锈菌CYR32在温室内对两个及亲本crr1/中花11的F2分离群体进行接种鉴定，同时利用完备区间作图法（inclusivecompositeintervalmapping,ICIM）和分子标记对小麦条锈菌气孔下囊形成和菌丝生长相关QTL进行了定位，共检测到4个气孔下囊形成相关QTL（Qsv01、Qsv06a、Qsv06b和Qsv10）和3个菌丝生长相关QTL（Qca07、Qca10和Qca11）。其中，Qsv10和Qca10定位于第10染色体的同一区间内，LOD值分别为14.85和11.49，变异贡献分别达到36.21%和28.48%。该区段遗传距离仅为0.95cM，分析二者应为同一基因控制。结合先前水稻抗病基因及QTL研究结果，认为Qsv10/Qca10是一个新的抗病位点。该结果为今后克隆相关非寄主抗性基因奠定了基础；4、克隆了小麦中甘油-3-磷酸（glycerol-3-phosphate,G3P）合成过程中的关键基因G3Pdhs和GLI1。利用小麦–CYR23非亲和互作体系对克隆基因进行表达特征分析，选择能被CYR23诱导表达的TaGLY1和TaGLI1进行BSMV-VIGS介导的基因沉默功能验证。结果表明，基因沉默植株对CYR23的抗性降低，G3P积累水平明显下降。与此同时，基因沉默植株中SA积累水平和SA诱导相关的抗性标记基因TaPR1都表现出明显的抑制。该结果证明G3P在小麦抗条锈的系统获得抗性中有重要作用，同时证明G3P的功能在单子叶植物和双子叶植物中具有保守性。
【作者】杨宇衡；
【导师】康振生；
【作者基本信息】西北农林科技大学，植物病理学，2014，博士
【关键词】水稻；小麦条锈菌；过氧化氢；双向电泳；数量性状位点；

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