水稻细菌性条斑病抗性QTL qBlsr5a的精细定位及候选基因的表达分析

水稻细菌性条斑病抗性QTL qBlsr5a的精细定位及候选基因的表达分析

论文摘要

水稻细菌性条斑病(Xanthomonas campestris pv.Oryzicola),简称水稻细条病,是水稻上一种重要的检疫性细菌病害。该病主要危害水稻叶片,水稻受侵染后,叶片变黄甚至枯死,空秕粒增多,千粒重降低,一般可减产10%~20%,严重时达40%。目前,细条病已成为南方稻区的主要病害,成为影响水稻产量及品质的重要限制因子。相对于水稻另两大病害(白叶枯病和稻瘟病),水稻对细条病的抗性属于典型的数量性状,不存在主基因抗性,现有种质资源中也未发现对该病表现免疫的品种。因此,深入挖掘现有资源中的数量抗性基因座(Quantitative resistance locus,QRL),不仅具有重要的实践应用价值,而且可以对数量抗病性的机制研究提供帮助。目前,在水稻中已报道13个细条病抗性QTL,其中Tang等以高抗细条病品种Acc8558和高感细条病品种H359为亲本构建的重组自交系群体,定位了11个细条病抗性QTL,其中位于5号染色体短臂上的QTL qBlsr5a(其抗病等位基因来自抗病亲本Acc8558)对表型变异贡献率最大,并在后续研究中得到了证实。这说明qBlsr5a在水稻细条病抗性的遗传改良上具有较大的应用前景。本研究在前人工作的基础上,对qBlsr5a进行更深入的研究。分别以Acc8558和H359为供体亲本和受体亲本,通过回交和分子标记辅助选择,育成了只渗入供体5号染色体短臂含抗性QTL qBlsr5a的区段的近等基因系H359-BLSR5a。进一步将该近等基因系与H359杂交,建立了一个大的F2群体(2,265单株)。采用选择极端表型个体并验证其后代(F2:3)株系的方法,在F2群体中鉴定出目标QTL为抗病纯合基因型的个体。通过对这些个体进行分子标记基因型检测和连锁分析,将qBlsr5a定位在SSR标记RMl53和RM159之间,大约2.4 cM或290 kb的范围内。利用Affymetrix的基因芯片对抗病品种Acc8558和感病品种H359中受细条病菌侵染调控的基因进行高通量的检测。在两品种中共检测到956个差异表达基因,其中12个基因在两品种中一致上调,54个基因在两品种中一致下调,20个基因在两品种中表达变化方向相反。对差异表达基因的基因本性(GO)、代谢路径和启动子进行了分析。比较所有差异基因与已报道的13个抗性QTL的位置关系,发现有30个差异表达基因的位置与这些抗性QTL吻合,但在qBlsr5a的定位区间(290 kb)内只检测到一个差异表达基因(LOC Os05g01330),且功能未知。在水稻Gramene(http://www.gramene.org/Oryzasativajaponica/contigview)及TIGR(http://www.tigr.org/tdb/e2kl/osal/GO.retrieval.shtml)数据库中查询,发现qBlsr5a的精细定位区间(290 kb)内共有51个预测基因,其中33个(64.7%)有功能注释。根据这些功能注释,我们选择了19个预测基因(包括那个基因芯片检测到的差异表达基因)进行表达分析,其中3个预测编码多聚半乳糖醛酸酶抑制蛋白前体(PGIP);1个编码锚蛋白1(ankyrin-1);1个编码转录因子ⅡAγ基(TFⅡAγ);1个编码与K蛋白1互作的锌指蛋白(ZIK1);还有2个含锌指结构。以H359和H359-BLSR5a为材料,在病原菌接种后的不同时期对这19个基因进行半定量RT-PCR分析。结果表明,有4个预测基因在两品系中都没有表达,7个预测基因在两品系中在病菌侵染前后表达都没有变化,其余8个预测基因对病原菌侵染有反应。其中6个基因的表达趋势在两品种中基本一致(5个表达上调,1个表达下调)。1个基因(LOCOs05g01380)在H359中接种前后没有变化,但在近等基因系H359-BLSR5a中接种6h时表达量开始增强,到24h时表达量达最到高。最令人感兴趣的是预测基因LOCOs05g01444,它在H359中没有表达,而在H359-BLSR5a中被诱导表达,且在接种6h时表达量达到最高。该基因编码区长度为1,206 bp,无内含子,预测编码多聚半乳糖醛酸酶抑制前体蛋白(PGIP),已知PGIP参与植物的多种抗病反应。因此看来,该基因是qBlsr5a的一个重要的候选基因。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 文献综述
  • 1 植物抗病性研究进展
  • 1.1 植物的抗病性反应
  • 1.2 植物R基因介导的质量抗病性
  • 1.3 植物抗病基因的克隆
  • 1.4 植物的防卫基因
  • 1.4.1 植保素(phytoalexin)合成相关基因
  • 1.4.2 病程相关基因(pathogenesis-related genes, PR)
  • 1.5 植物抗病基因传导途径
  • 1.5.1 R基因介导的抗病反应途径
  • 1.5.2 水杨酸(Salicylic acid, SA)介导的植物抗病反应途径
  • 1.5.3 茉莉酸(JA)/乙烯(ET)介导的抗病防卫反应
  • 1.5.4 寡糖素介导的诱导抗病性──PG-PGIP模型
  • 2 数量抗病性的研究进展
  • 2.1 数量抗病性
  • 2.1.1 数量基因及数量抗性基因的定位研究
  • 2.1.2 数量基因及数量抗性基因的克隆
  • 2.2 QRL抗性的可能机理
  • 3 QTL定位
  • 3.1 QTL定位原理和方法
  • 3.2 QTL定位的作图群体
  • 3.3 影响QTL定位的因素
  • 3.4 针对QRL获得数量抗病性状值准确性的主要方法
  • 3.5 分子标记(molecular marker)
  • 4 水稻细菌性条斑病及其相关的抗性研究
  • 4.1 水稻细菌性条斑病
  • 4.1.1 水稻细条病的发现及发病特点
  • 4.1.2 病原菌的分类与分化
  • 4.1.3 细条病菌的适生性
  • 4.1.4 细条病抗性评价方法
  • 4.2 水稻细条病的抗性鉴定与抗源筛选
  • 4.3 水稻细条病的抗性生理研究
  • 4.4 水稻对细条病抗性的遗传和QRL定位研究
  • 4.4.1 水稻抗细条病的经典遗传研究
  • 4.4.2 水稻抗细条病QTL定位研究
  • 4.5 水稻抗细条病QTL的标记辅助育种
  • 第1章 抗性QTL qBlsr5α的精细定位
  • 1.1 材料和方法
  • 1.1.1 水稻材料
  • 1.1.2 细条病菌株及培养
  • 1.1.3 含单个抗性QTL qBlsr5α近等基因系的建立及抗性鉴定
  • 1.1.4 作图群体的建立和细条病抗性鉴定
  • 1.1.5 分子标记发展
  • 1.1.6 SSR标记分析和遗传连锁图构建
  • 1.2 结果与分析
  • 1.2.1 含单个抗性 QTL近等基因系的建立
  • 1.2.2 H359-BLSR5α近等基因系的农艺性状及抗性表现
  • 1.2.3 作图群体的构建
  • 1.2.3.1 纯合抗病基因型的鉴定
  • 1.2.3.2 目标QTL的精细定位
  • 1.2.3.3 覆盖目标QTL的物理图谱
  • 1.3 讨论
  • 1.3.1 水稻细条病
  • 1.3.2 菌株的选择培养和接菌的方法及接菌条件的控制
  • 1.3.3 SSR标记的选择
  • 1.3.4 qBlsr5α的精细定位
  • 第2章 利用基因芯片检测水稻细条病抗性相关基因
  • 2.1 材料和方法
  • 2.1.1 水稻材料
  • 2.1.2 细条病菌株及培养
  • 2.1.3 材料的种植与接菌
  • 2.1.4 总RNA提取、检测及基因芯片分析
  • 2.1.5 半定量PCR
  • 2.2 结果与分析
  • 2.2.1 RNA质量检测
  • 2.2.2 两品种中细条病菌诱导的差异表达基因
  • 2.2.3 半定量RT-PCR结果
  • 2.2.4 差异表达基因与抗性QTL的对应关系
  • 2.3 讨论
  • 2.3.1 细条病抗性的复杂性
  • 2.3.2 本研究下一步工作的假设
  • 第3章 qBlsr5α的候选基因分析
  • 3.1 材料与方法
  • 3.1.1 供试水稻材料
  • 3.1.2 接菌菌株及培养
  • 3.1.3 材料的种植与接菌
  • 3.1.4 qBlsr5α定位区间内候选基因的挑选
  • 3.1.5 RNA提取与反转录反应
  • 3.1.6 预测基因的表达分析
  • 3.2 结果与分析
  • 3.2.1 RNA质量检测
  • 3.2.2 qBlsr5α的物理区间内的基因
  • 3.2.3 候选基因的表达分析
  • 3.2.3.1 循环次数确定
  • 3.2.3.2 表达分析
  • 3.3 讨论
  • 3 3 1 qBlsr5α的候选基因分析
  • 3.3.2 病原菌与水稻的互作
  • 3.3.3 半定量RT-PCR技术
  • 3.3.4 qBlsr5α抗性的可能机理
  • 全文结论及下一步工作计划
  • 参考文献
  • 附录
  • 缩略词(Abbreviations)
  • 致谢
  • 相关论文文献

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