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西北地区马铃薯主栽品种的抗晚疫病性评价及致病疫霉菌候选核心RXLR效应基因的鉴定

尹军良  
【摘要】:马铃薯是仅次于水稻、小麦和玉米的世界第四大粮食作物,在世界粮食安全中发挥重要作用。由致病疫霉菌(Phytophthora infestans)引起的晚疫病是马铃薯上危害最为严重的病害,曾引发1840年代的“爱尔兰大饥馑”。使用抗病品种是防治该病害最经济有效和环境友好的策略,但致病疫霉菌频繁变异进而克服品种抗病性,导致晚疫病的周期性爆发和流行,因此被称为“抗病基因毁灭者”(Resistance gene destroyer)。我国西北地区广泛种植的马铃薯饱受晚疫病危害,在我国大力倡导化学药剂减量增效的背景下,如何快速开发抗病品种和高效、持久地使用它们成为晚疫病防控工作亟待解决的关键问题。由于我们不清楚国内马铃薯主栽品种在西北地区的田间抗病表现,对这些品种在基因水平的抗病遗传背景更缺乏系统的了解,严重阻碍了马铃薯品种的合理布局和推广应用,增加了晚疫病爆发流行的风险。因此,我们对101个马铃薯主栽品种和新育品种(系)进行了田间抗病性鉴定,并以已知致病疫霉无毒基因为工具分析了20个品种中对应抗病基因的组成。此外,靶向保守RXLR效应基因的马铃薯抗病基因其抗性持久的潜力更大,因此鉴定保守RXLR效应基因将为寻找持久抗病基因奠定基础。为鉴定致病疫霉菌侵染早期高表达的保守RXLR效应基因,我们挑选出6个遗传多样性较高的菌株,制备了12小时的叶部侵染材料进行转录组测序,从测序数据中鉴定到一批序列保守的核心RXLR效应基因,并对部分候选在本氏烟和马铃薯上进行了初步的功能分析。主要得到以下结果:1.田间抗病性鉴定发现19个马铃薯品种对晚疫病表现高抗,大部分品种表现中抗到高感。以10个致病疫霉菌无毒基因为工具,分析了20个马铃薯品种的抗病基因组成,发现各品种抗病基因数目和组成不同,含有0到10个与无毒基因对应的抗病基因,平均每个品种含有5个。在强毒性菌株为流行群体的前提下,供试品种抗病基因数目和病情指数(AUDPC)间呈显著负相关(R=0.70**,p0.05),表明聚合抗病基因越多的品种田间抗病表现越好。2.采用Illumina高通量转录组测序,从6个菌株侵染的马铃薯叶片样品中得到46G数据,其中2,337,987条(1%)序列(reads)属于致病疫霉菌。经基因拼接后从6个菌株中检测到11,911个表达的基因,平均每个菌株中检测到7,000个基因;其中包括245个表达的RXLR效应基因,平均每个菌株中检测到160个。表达特征分析发现,RXLR效应基因的整体表达水平比转录组整体水平高2-3倍,说明在侵染早期阶段有大量的RXLR效应基因高度上调表达。进一步分析发现,在128个效应基因中共检测到468个单碱基(SNP)变异,其中同义替换183个,非同义替换266个,表明效应基因承受正向选择压力,多态性水平高。基于序列保守且侵染早期阶段高表达的原则,我们鉴定到23个候选核心效应基因。经序列比对分析,最终将它们划分为18个候选的核心RXLR效应因子(Core RXLR effector,CRE)。选取其中9个CRE进行毒性测试,发现它们均可促进致病疫霉菌的侵染。选取4个CRE在本氏烟和马铃薯叶片瞬时表达,初步功能分析发现它们均抑制由BAX、INF1、NIP、Avh241和Avh238引发的PTI和ETI反应。表明这些效应基因在侵染早期通过抑制植物防卫反应而发挥毒性作用。


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