影响水稻抗白叶枯病主效基因Xa3/Xa26抗性发挥的遗传背景因素分析

论文摘要

水稻白叶枯病是由黄单胞杆菌水稻致病变种(Xanthomonas oryzae pv. oryzae)引起的一种细菌性维管束病害,自二十世纪五十年代末以来,一直是影响我国水稻高产、稳产的主要病害之一。充分利用抗病基因资源,培育具有高效广谱抗性的优良品种是最经济有效地防治白叶枯病的技术措施。目前已经鉴定并克隆了大量主效抗病基因,部分基因在不同遗传背景中的抗病表型存在差异。研究清楚遗传背景如何影响抗病基因功能的发挥,为更好地利用主效抗病基因培育优良品种有着重要的指导意义。从明恢63中鉴定并克隆的水稻抗白叶枯病主效基因Xa3/Xa26定位于第11染色体的长臂末端。该基因介导的抗性受遗传背景的影响,粳稻背景可以提高该基因的表达水平,随着表达量的增加植株的抗性也随之增强。为了证实Xa3/Xa26的剂量效应是否是影响其抗性发挥的唯一因素,本研究从基因表达谱和遗传学两个角度分析了遗传背景影响Xa3/Xa26抗性的原因。首先,从牡丹江8/明恢63 F2分离群体中分别于苗期和成株期随机取材分析Xa3/Xa26的表达水平与植株抗性之间的关系,发现不管是在苗期还是成株期,两者之间均有一定的相关性,然而少数单株对PX061的抗性并不受抗病基因表达水平的影响。这说明遗传背景的确可以影响Xa3/Xa26的表达量,但该基因的剂量效应并非影响植株抗性的唯一因素。其次,从牡丹江8／明恢63的F2群体和以明恢63为轮回亲本的多个回交群体中总共检测到5个QTLs,这些QTL位点的牡丹江8等位位点对增强植株抗性起到一定作用,即感病亲本中确实存在一些数量抗性位点,可以影响Xa3/Xa26对白叶枯病的抗性。还扫描到4个QTL位点,当它们为明恢63基因型时也可以增强植株的抗性。另外,对129个共显性标记进行两位点互作分析,发现这些QTLs之间几乎不存在互作关系,以非QTL之间的互作最多。这些结果都说明遗传背景中有很多位点可以影响Xa3/Xa26介导的抗性。第三,用cDNA芯片对明恢63和Rb49接种白叶枯病病原后的基因表达谱进行分析,其中Rb49是一个携带有自身启动子驱动的Xa3/Xa26基因的单拷贝转基因株系。检测到的大多数差异表达基因在Rb49中能被病原快速激活,但它们在明恢63中却受到抑制表达或表达量基本不变。编码SNAC1蛋白的Os03g60080在明恢63和Rb49中均受病原的抑制表达,但从各时间点的表达趋势来看,该基因的表达模式与Xa3/Xa26, OsWRKY13和NH1相反,且它在OsWRKY13超量表达的转基因植株中的表达受抑制,这些都说明了这个基因不仅与非生物胁迫相关,而且很可能参与了Xa3/Xa26介导的抗病信号传导。结果表明某些基因在时空表达模式上的差异也是遗传背景影响主效抗病基因发挥功能的重要原因之一。第四,通过生物信息学的方法将差异表达基因定位到遗传连锁图上,且部分基因位于QTLs置信区间内,那么这些基因在不同的遗传背景中可能通过不同的调节功能影响Xa3/Xa26介导的抗病反应。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 缩略词表
• 1 前言
• 1.1 植物免疫系统
• 1.1.1 植物先天免疫反应
• 1.1.1.1 病原相关分子模式引起的免疫反应
• 1.1.1.2 效应因子抑制PTI的发生
• 1.1.1.3 效应因子激发的免疫反应
• 1.1.2 植物系统获得性抗性和诱导获得性抗性
• 1.2 水稻抗白叶枯病基因的克隆及其研究进展
• 1.2.1 抗病基因的克隆
• 1.2.2 水稻生长发育对白叶枯病抗性的影响
• 1.2.3 遗传背景与抗病基因介导的抗性
• 1.3 数量抗性位点的研究方法及进展
• 1.3.1 数量抗性位点的定位
• 1.3.2 数量抗性位点在抗病反应中的可能作用机制
• 1.3.3 分离克隆数量抗性基因
• 1.3.4 上位性互作和抗性遗传网络
• 1.4 生物芯片技术及其在植物抗病研究中的应用
• 1.4.1 生物芯片技术
• 1.4.2 基因芯片技术在植物抗病机理研究中的应用
• 1.5 研究的目的和意义
• 2 材料和方法
• 2.1 水稻材料
• 2.1.1 水稻品种与来源
• 2.1.2 全生育期材料的组成与种植
• 2.2 水稻白叶枯病的接种与调查
• 2.3 群体基因型、遗传图谱构建与抗病相关QTL的定位
• 2.3.1 遗传定位群体的构建
• 2.3.2 DNA提取
• 2.3.3 标记来源
• 2.3.4 SSR分析
• 2.3.5 遗传连锁图谱的构建
• 2.3.6 QTL的定位和效应分析
• 2.4 芯片杂交与数据分析
• 2.4.1 实验材料的种植和RNA样品的准备
• 2.4.2 cDNA芯片的探针组成
• 2.4.3 芯片杂交
• 2.4.4 芯片扫描与数据分析
• 2.4.5 生物信息学分析
• 2.5 定量RT-PCR分析
• 2群体中Xa3/Xa26的表达量分析'>2.6 F₂群体中Xa3/Xa26的表达量分析
• 3 结果与分析
• 3.1 Xa3/Xa26和Xa21在全生育期对不同生理小种的抗性分析
• 3.2 分子标记遗传连锁图
• 3.3 影响Xa3/Xa26抗性的抗病相关QTLs
• 3.3.1 抗病相关QTLs的定位
• 3.3.2 影响Xa3/Xa26抗性的QTL XR10
• 3.3.3 全基因组两位点互作分析
• 2植株中的表达水平'>3.4 Xa3/Xa26在F₂植株中的表达水平
• 3.5 Xa3/Xa26在不同遗传背景下的基因表达谱分析
• 3.5.1 RNA质量检测和mRNA分离
• 3.5.2 芯片杂交质量的评价
• 3.5.3 差异表达基因的功能分析
• 3.5.4 差异表达基因与数量遗传位点的对应关系
• 3.5.5 定量RT-PCR验证差异表达基因
• 4 讨论
• 4.1 遗传背景和生育期对Xa21和Xa3/Xa26抗性的影响
• 4.2 剂量效应不是影响Xa3/Xa26抗病功能的唯一因素
• 4.3 不同群体间抗病相关QTL的比较
• 4.4 定位QTL和上位性QTL的影响因素
• 4.5 数量抗性位点XR10在育种工作中的应用
• 4.6 进一步研究的工作设想
• 5 参考文献
• 6 致谢
• 7 附录
• 附录1:部分实验的详细操作程序
• Protocol 1:小样法抽提植物总DNA
• Protocol 2:cDNA microarray hybridization
• Protocol 3:Reverse Transcription for PCR
• 附录2:作者简介和在读期间发表论文目录