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《浙江大学》 2007年
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硅提高豇豆锈病抗性机理及抗锈病分子标记研究

李国景  
【摘要】: 豇豆锈病(Uromyces vignae Barclay)为生产上普遍发生的一种全国性病害,已对生产构成较大威胁。寻找防治锈病的新方法和选育抗锈病新品种已成为长豇豆(Vigna unguiculata ssp. sesquipedlis(L.)Verd.)科研和生产上的重要课题。 虽然硅并没有被认为植物的必需元素之一,但硅在提高植物对生物胁迫和非生物胁迫抗性方面的作用已引起了广泛关注。研究表明,硅可提高黄瓜、瓠瓜、水稻、大麦、小麦等植物的抗病性。目前,硅提高植物抗真菌病害作用的研究大多集中在含硅量高(占干重1-10%)的水稻、大小麦等禾本科植物和黄瓜、甜瓜等作物上,而在含硅量低的豆科植物上的研究甚少。 传统的抗病育种依赖于抗性鉴定和植株表型选择,要求有丰富的经验和长达数年甚至十几年的时间,并需要创造特殊环境进行筛选鉴定。分子标记辅助育种(MAS)是现代分子生物学与传统遗传育种学相结合的新方法,它的应用可以显著缩短育种进程,提高选择效率,在抗病育种中极具应用价值。研究获得与长豇豆抗锈病基因连锁的分子标记对于分子标记辅助育种和图位克隆基因意义重大。 本研究(1)以高抗锈病品种‘ZN016’和高感锈病品种‘之豇282’为材料,采用基质栽培,在细胞或亚细胞器水平研究了外源硅(K_2SiO_3 1.7mM)和接种锈菌对长豇豆幼苗叶绿素荧光参数、光合作用、活性氧及抗氧化系统等的影响,旨在阐明硅提高长豇豆对锈病抗性的生理生化机制;(2)以上述两品种为双亲构建的F_2群体为试材,采用分离群体分组分析法(BSA法)和AFLP分子标记技术,将获得的与长豇豆抗锈病相关基因连锁的AFLP标记进行SCAR转化。所取得的主要结果如下: 1、外源硅可显著减少长豇豆感病品种接种锈菌后叶片净光合速率(P_n)、气孔导度(Gs)的下降幅度和胞间CO_2浓度(Ci)的上升幅度,维持叶片较高的光合效率;可维持幼苗叶片较高的总呼吸活性(V_t)、替代途径能力(V_(alt)和替代途径实际运行活性(pV_(alt));明显延缓植株叶片Fv/Fm、Fv/Fo、Φ_(PSⅡ)、NPQ、Fv’/Fm’、Rfd和ETR等叶绿素荧光参数的下降时间,减轻其下降程度;未接种时外源硅对上述参数无明显影响。硅与锈菌对抗病品种的上述参数也无明显影响。外源加硅使豇豆植株叶片中SiO_2含量比对照提高36.42%。硅可显著降低感病品种的锈病病情指数,相对防效达31.7%。 2、接种锈菌后,外源硅能明显提高感病品种和抗病品种叶片中相关酶如过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、苯丙氨酸解氨酶(PAL)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽还原酶(GR)等的活性,降低超氧阴离子自由基(O_2~—)产生速率,减少H_2O_2和丙二醛(MDA)含量,提高酚类物质、还原型谷胱甘肽(GSH)、抗坏血酸(AsA)含量;硅对感病品种比抗病品种的效果更为显著。在无病原菌侵入时,硅对叶片中上述抗病相关酶活性、氧自由基和膜脂过氧化物及抗氧化物含量无明显影响。POD同工酶分析表明,外源硅不能改变两品种的POD同工酶谱带。 3、外源硅显著提高豇豆锈菌胁迫下叶片细胞质、叶绿体和线粒体中POD、APX、CAT活性和感病品种的PAL活性,明显提高两品种各细胞器中SOD和GR活性;有利于抗感两品种各细胞器中AsA和细胞质、叶绿体中多酚含量的提高;显著降低感病品种细胞质和叶绿体中MDA含量;豇豆锈病抗感两品种间细胞质和叶绿体中的POD同工酶谱带不同,在线粒体中无明显差异,但外源加硅与否不能改变其POD同工酶谱带。硅可有效地减慢锈菌胁迫下感病品种叶绿素的降解速度;增加豇豆锈病抗感各品种线粒体膜电位(ΔΦ_M),降低线粒体膜肿胀度,提高线粒体的呼吸速率、细胞色素C氧化酶(CCO)活力和ATP酶活性,且对感病品种的效应要高于抗病品种。表明硅可能通过提高叶绿体、线粒体清除自由基的能力,提高线粒体ATPase与CCO活性,增强线粒体膜结构和功能的稳定性,来提高植株的呼吸作用和光合作用,最终提高植株对锈病的抗性。 4、通过对构建的不同分离群体进行苗期人工接种鉴定,表明豇豆对锈病的抗性受一对显性基因控制;建立了长豇豆AFLP分子标记分析技术体系,应用64对引物组合共扩增出2019条带,平均每对引物组合扩增的条带数为31.55条;多态性条带共124条,其中12对引物组合未出现多态性条带,平均每对引物组合扩增的多态性条带为2.0条;筛选出在抗池、感池和双亲DNA池间稳定表现多态的引物组合2对:E-AAG/M-CTG和E-ACC/M-CTG。 5、通过将特异片段回收、克隆和测序,E-AAG/M-CTG特异片段全长为150bp,E-ACC/M-CTG特异片段全长为321bp。分别设计特异SCAR引物,再对F_2代单株基因组DNA进行扩增,结果表明,针对E-AAG/M-CTG特异片段设计的SCAR引物仅在抗病单株中扩增出1条分子量为98 bp的特异带,表明已成功地将与豇豆锈病抗性连锁的AFLP标记转化为操作简便、表现稳定的SCAR标记。经连锁分析,该SCAR标记与锈病抗性基因的连锁距离为5.4 cM,命名为ABRS_(AAG/CTG98)。而针对E-ACC/M-CTG特异片段设计的SCAR引物未能成功转化。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:S436.43

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