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禾本科中NBS-LRR类抗病基因的进化研究

罗莎  
【摘要】:植物病害是农作物减产的主要原因之一。最有效的防治病害的方法是使用抗病品种。目前商品种的抗性多为由单基因控制的垂直抗性,在生产上很容易失效。将多个抗病基因聚集在一个品种中被认为是获得持久抗性品种的方法之一。要达到这一目的,必须系统地了解抗病基因的基因组结构及进化模式。 本研究在全基因组范围内分析了已测序的禾本科植物水稻(日本晴及93-11两个品种)、玉米、短柄草和高粱中NBS-LRR (nucleotide binding site and leucine rich repeat)类抗病基因。这类抗病基因位点在禾本科不同物种之间普遍具有存在/丢失(presence/absence, P/A)多态性。这些存在/丢失多态性是由不同的遗传机制形成的,其中包括不等交换(unequal crossover),同源修复(homologous repair),非同源修复(non-homologous repair)等。抗病基因存在/丢失多态性的普遍存在使电子图位克隆技术(in silico map-based cloning)的应用受到很大限制。为解决这一问题,本研究利用比较基因组学的方法将上述5个基因组中的抗病基因定位到日本晴染色体上,构建了一个完整的包含495个抗病基因位点的禾本科抗病基因图谱。其中只有少数位点(3.23%)同时存在于5个基因组中,表明不同植物中抗病基因位点变异非常大。同时,分析这些抗病基因位点侧翼区域在不同物种中的线性关系发现抗病基因位点会降低其侧翼序列在不同物种中的线性关系。 已测序的水稻品种日本晴和93-11以及其它10多个未测序的品种中抗病基因的变异分析表明,水稻基因组中大部分抗病基因为序列保守的Type Ⅱ基因,而只有约5.8%的基因为具有高度嵌合体结构的Type Ⅰ基因。水稻中22个已克隆的抗病基因中既有Type Ⅰ类抗病基因也有Type Ⅱ类抗病基因。虽然一个基因组中的Type Ⅰ类抗病基因数量较少,但这类基因在不同基因型中变异大,对一个物种的抗病基因多态性起重要作用。相反,Type Ⅱ类抗病基因在不同的基因型中非常保守。有些Type Ⅱ基因是典型的假基因,出人意料的是这些Type Ⅱ假基因在水稻不同基因型甚至野生稻中同样非常保守。以上结果说明基因功能不是Type Ⅰ和Type Ⅱ两类抗病基因分化的主要原因。 水稻中克隆的NBS-LRR类抗病基因Pi37具有典型的Type Ⅰ类抗病基因的进化模式,这个基因是通过同源体之间的不等交换,随后发生4个点突变而形成的。该基因与玉米中的抗锈病基因Rp1-D同属一个家族(Rp1家族)。不同物种中Rp1位点的线性分析结果显示,禾本科至少存在两个古老的Rp1位点。这两个位点在不同的物种中经历了丢失或复制。禾本科不同物种间不仅Rp1位点数变化大,家族成员数也差异巨大。比如,小麦和玉米属中存在大量的Rp1同源体,但是稻属和短柄草中Rp1同源体数不多于4个。不同物种间Rp1家族的进化方式差异较大。玉米属中大量的Rp1同源体都具有Type Ⅰ类基因的嵌合体结构,成员之间发生了频繁的序列交换。不过,物种内基因之间频繁的序列交换并没有导致玉米属不同物种间的协同进化。与玉米相同,高粱中的Rp1同源体也具有Type Ⅰ类抗病基因的进化模式。高粱属与玉米属中的Rp1同源体存在序列分化,表现出协同进化的现象。短柄草、大麦和小麦中的Rp1基因属于Type Ⅱ类抗病基因;而稻属中同时存在Type Ⅰ和Type Ⅱ两类Rp1基因。 综上所述,基因组中大部分抗病基因都处于动态变化中,抗病基因位点在不同的基因组中存在频繁的缺失以及移位:同一基因家族的抗病基因在不同的物种中具有不同的进化模式。本研究构建的禾本科抗病基因图谱丰富了抗病基因位点信息,为电子图位克隆提供了完整的参考基因组信息。


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