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作者：

苏亚春

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摘要：

甘蔗(Saccharum officinarum)是最重要糖料作物,蔗糖占我国食糖总产92%。病害是影响甘蔗产量和质量的重要因素,甘蔗黑穗病(Sporisorium scitamineum)是世界各植蔗区最主要的病害之一,也是我国甘蔗栽培上最重要的病害,种植抗病品种是控制该病最经济、最有效的措施。前人从相关细胞学、形态学、生理生化及抗病性遗传方面,探讨了甘蔗对黑穗病的抗性机制。目前,有关甘蔗响应黑穗病菌侵染的分子机制研究,基本还停留在以抗病甘蔗基因型接种病原后的材料进行个别几个差异表达基因的克隆与定量表达研究,这些研究初步反映了甘蔗抗黑穗病菌的分子机制受到多基因网络系统的调控,分子水平的机理与机制研究有待继续深入。利用高通量的技术手段,从转录组学和蛋白组学水平上,研究甘蔗对黑穗病菌胁迫的应答反应,有助于从整体上揭示甘蔗响应黑穗病菌侵染的代谢通路和分子调控网络,也有助于筛选与鉴定起关键作用的基因。 本研究建立了一种基于实时荧光定量PCR技术检测甘蔗黑穗病菌的方法,在黑穗病症状未出现前快速、灵敏地检测病原菌,为甘蔗黑穗病菌的快速检测和早期预防提供依据。此外,以甘蔗黑穗病抗性基因型崖城05-179和感病主栽品种"ROC"22为植物材料,通过病原菌胁迫,建立了甘蔗—黑穗病菌之间的不亲和与亲和互作系统,利用高通量RNA-Seq测序技术与iTRAQ技术,通过多点时序比较,分析甘蔗响应黑穗病病原菌胁迫过程中,同一甘蔗基因型不同接种时间点和不同甘蔗基因型不同接种时间点的mRNA及蛋白表达水平的变化,构建甘蔗应答黑穗病菌侵染的表达谱,对于从分子水平上揭示甘蔗抗黑穗病性机制具有重要的理论指导和实践意义。实验还筛选鉴定了3类抗性相关基因,包括p-1,3-葡聚糖酶基因(β-1,3-glucanase)、几丁质酶基因(chitinase)和过氧化氢酶基因(catalase),旨在为甘蔗抗病分子育种提供优异基因资源。初步研究成果如下: 1.甘蔗黑穗病是一种真菌性病害,在蔗区广泛流行,该病菌的早期诊断和准确检测将有助于该病害的治理。针对黑穗病菌bE基因(b East mating-type, GenBank登录号为U61290.1)设计特异性的实时荧光定量PCR检测引物(bEQ-F/bEQ-R)与TaqMan探针,其检出限为10ag bE质粒DNA和0.8ng甘蔗基因组DNA,比传统PCR(检出限为10fgbE质粒DNA和100ng甘蔗基因组DNA)更灵敏。实验通过检测人工接种甘蔗组培苗(FN40)进一步验证TaqMan技术的可靠性,结果显示,该技术在病原菌感染初期(12h)能够检测到黑穗病菌,适用于甘蔗无病种茎和幼苗的诊断。此外,通过不同甘蔗抗/感基因型(崖城05-179和"ROC"22)受黑穗病菌侵染后的定量检测实验,结果表明,该TaqMan技术具有进一步开发成为评价甘蔗基因型对黑穗病抗性技术的潜力。总的来说,所建立的技术体系可作为检测和诊断甘蔗黑穗病原菌的工具,实现灵敏、准确、快速和定量检测的目的。 2.以甘蔗抗黑穗病无性系崖城05-179和感黑穗病品种"ROC"22蔗芽为材料,以清水处理24h时间点为对照,对接种甘蔗黑穗病菌24h、48h和120h时间点的蔗芽进行Illumina RNA-Seq (测序)。借助维恩图(Venny diagram),通过多点时序比较,分析甘蔗响应黑穗病病原菌侵染过程中,同一基因型不同时间点和不同基因型同一时间点的差异基因表达变化,构建了甘蔗响应黑穗病病原菌侵染过程的转录组表达谱。主要结果如下: (1)8个甘蔗样品转录组测序共获得36.68Gb数据,181,603,016对reads.分样品de novo组装后共获得148,605条Unigene,其中长度在500bp以上的有46,525条,长度在1.0kb以上的有20,798条；合并测序数据de novo组装后共获得99,824条Unigene,其中长度在500bp以上的有47,345条,长度在1.0kb以上的有22,091条。进行基于合并组装Unigene库的基因结构分析,包括ORF预测、SSR(simple sequence repeat)分析以及样品间SNP (Single Nucleotide Polymorphism)分析,获得SSR标记5,095个。将Unigene与NT、NR, SwissProt、TrEMBL、COG、GO和KEGG数据库进行比对,共获得65,852条Unigene的生物信息学注释结果。另有33,972条Unigene(34.03%)未被注释到,推测该部分序列可能是新转录本,需进一步验证。本实验构建的转录组数据库可为甘蔗其他相关研究的基因注释提供参考。 (2)进行各样品中基因表达量和差异表达基因的分析,以及对差异表达基因进行模式聚类、功能注释和富集性分析,并通过Q-PCR进行验证。结果显示:①黑穗病菌侵染后,两个甘蔗基因型被诱导的大多数差异表达基因和代谢通路都是常见的,几乎涵盖整个生命活动的各个方面。比对上的Unigene涉及细胞组件(cellular component)、分子功能(molecular function)和生物过程(biological process)等功能。在此分析基础上,获得了与抗性相关的功能注释信息,如信号转导机制(Signal transduction mechanisms)、能量产生与转导(Energy production and conversion)、离子转运机制(Inorganic ion transport and metabolism)和防御机制(Defense mechanisms)等。Pathway聚集分析显示,差异基因参与了包括植物激素信号转导途径(Plant hormone signal transductio)、类黄酮生物合成途径(Flavonoid biosynthesis)、植物与病原菌互作途径(Plant-pathogen interaction)和细胞壁防御途径(Cell wall fortification pathway)等抗病相关代谢途径。可见,黑穗病菌激发了甘蔗多种抗病途径、差异表达基因涉及防御反应及信号转导等,提示甘蔗对黑穗病病原菌侵染响应的分子机制受到多基因网络系统的调控。②随着接种黑穗病菌时间的延长,激活的甘蔗差异表达基因数目增多,且上调表达的差异基因明显多于下调表达的差异基因。黑穗病菌在崖城05-179和"ROC"22中诱导的差异基因在很大程度上是相同,但总的来说,崖城05-179中分析到的显著性抗病相关代谢通路明显多于"ROC"22,且抗性相关基因的转录表达时间(24h～48h)较"ROC"22的(48h-120h)早,此外,抗病品种中差异转录本的上／下调表达情况相对较丰富,提示它们在非亲和互作中表现抗性特异性以及较早的时序性。以上应答黑穗病菌的甘蔗转录本潜在功能的分析,有助于我们更深入研究这些候选基因在甘蔗响应黑穗病病原菌侵染中的作用,同时也为开展甘蔗抗病功能基因组学研究奠定基础。 3.在转录组学研究的基础上,以抗病和感病基因型接种黑穗病菌48h时间点的蔗芽为材料,利用iTRAQ技术,研究其蛋白组学的变化。结果表明:鉴定到的蛋白数量为4,251个,其中崖城05-179筛选到的差异表达蛋白有273个,"OC"22有341个。差异蛋白显著富集于苯丙氨酸代谢、苯丙烷类生物合成、次级代谢产物生物合成、苯并恶嗪生物合成、脂肪酸代谢和不饱和脂肪酸生物合成代谢通路中等,这些代谢通路直接或间接参与甘蔗对黑穗病菌的抗病反应。崖城05-179的蛋白组与转录组的关联性为0.1502,而"ROC"22的关联性为0.2466。甘蔗抗病和感病基因型中筛选出的与转录组关联的差异蛋白数分别为27个和10个,与差异基因表达趋势相同的差异蛋白的数量分别只有18个和10个,但均为关联上调表达,且其中近半数以上的关联差异蛋白与植物抗逆性密切相关,如过氧化物酶、病程相关蛋白PR-1、p-1,3-葡聚糖酶、热休克蛋白和植物凝集素等。研究结果为后续确定深入研究的代谢通路以及关键蛋白的鉴定提供依据。 4.甘蔗响应黑穗病菌胁迫后,在转录组测序结果中,发现病程相关蛋白(pathogenesis related proteins)的转录本差异表达,涉及10个葡聚糖酶基因(Glucanase)、26个几丁质酶基因(Chitinase)和1个过氧化氢酶基因(Catalase)。蛋白组与转录组关联分析结果也揭示了病程相关蛋白PR-1和p-1,3-葡聚糖酶等被甘蔗黑穗病菌诱导上调表达。植物病程相关蛋白是在某种病理或者与病理相关的环境条件下,植物体内诱导产生的的特异蛋白质,这些蛋白质在植物抗病反应过程中起重要作用,和植物系统获得性抗性(systemic acquired resistance, SAR)紧密相关。本研究根据该3类典型PR蛋白的差异转录本信息,借助RT-PCR技术从甘蔗中分离出2个β-1,3-葡聚糖酶基因ScGluA1和ScGluD1、1个几丁质酶基因ScChi和1过氧化氢酶基因ScCATl。通过Q-PCR技术,分析差异表达基因在黑穗病菌侵染甘蔗过程中的时空表达特性,并应用基因工程手段,进行融合蛋白亚细胞定位及目的基因遗传转化研究,为后续甘蔗抗黑穗病遗传改良提供优异基因资源。 (1)p-1,3-葡聚糖酶可以水解病原真菌细胞壁的主成分p-1,3-葡聚糖,已被证实在植物—病原菌互作中被诱导表达,且参与植物防御反应。本研究中,接种黑穗病菌后,甘蔗β-1,3-葡聚糖酶活性在抗病品种中较感病品种增加速度快且维持时间长,表明β-1,3-葡聚糖酶可能与甘蔗抗黑穗病性之间呈正相关。此外,实验从甘蔗接种黑穗病菌后的材料中,克隆到两个β-1,3-葡聚糖酶基因ScGluA1(GenBank登录号为KC848050)和ScGluD1(Gen

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关键词：

甘蔗 黑穗病菌 转录组 蛋白组 抗性相关基因

学位级别：

博士

学位年度：

2014

被引量：

17