茄科植物小G蛋白ROPs在抗疫霉菌过程中的功能研究

发布时间：2020-06-13 21:38

【摘要】：疫霉菌能够导致上百种植物发生毁灭性病害,因此培育品质优良的抗病品种是防控由疫霉菌所引起病害的最为有效的途径。明确疫霉菌的生理小种,挖掘寄主植物新的抗病基因,解析寄主的抗病机制都将为后续的病原菌致病性研究和抗病育种工作奠定坚实的基础。本研究首先利用形态学和分子生物学的方法对广东、山西和内蒙古等地区的辣椒疫霉菌(Phytophthora capsici)进行了分离鉴定,利用国际通用的鉴别寄主,对分离到的P.capsici进行了生理小种的鉴定,并对辣椒的育种材料进行了抗性评价。同时,对茄科寄主植物中小G蛋白进行了全基因组筛查和系统进化分析及分类研究;初步探究了小G蛋白在寄主抗疫霉菌过程中的调控作用,主要的研究结果如下:1.鉴定为P.capsici的7株菌株在生物学特性方面存在一定的差异;来源于广东的P1菌株是2号生理小种,而来源于山西和内蒙古的P2—P7等6个菌株都是3号生理小种。2.利用P.capsici游动孢子液灌根接种法对27份辣椒种质资源材料进行了抗性鉴定。结果表明,高抗材料共有3份,占供试材料的11%;抗病材料共有6份,占供试材料的22%;中抗材料有3份,占供试材料的11%;其余15份材料均为感病材料,占供试材料的56%。3.通过测定氟啶胺和氰霜唑对7株P.capsici菌株的生长抑制率得知氟啶胺和氰霜唑对7株P.capsici的菌丝生长抑制率的区间范围分别为42.68-71.85%和1.87-55.01%;氰霜唑对P5菌株的抑制率最低,仅为1.87%。这表明部分P.capsici菌株对氰霜唑存在不同程度的抗药性风险。4.本研究以拟南芥中的11个ROP小G蛋白序列为模板,利用生物信息学技术在茄科基因组数据库中对马铃薯(Solanum tuberosum)、番茄(Solanum lycopersicum)、茄子(Solanum melongena)、辣椒(Capsicum annuum)、本氏烟(Nicotiana benthamiana)和烟草(Nicotiana tabacum)等6种茄科植物中的ROPs进行全基因组筛查,结果表明,在马铃薯、番茄、茄子、辣椒、本氏烟和烟草中筛查到的ROPs蛋白的数量分别为16、9、5、8、13和14个,共计65个。通过系统进化树聚类分析结果可知,65个ROPs聚为5类,即Clade Ⅰ,Ⅱ,ⅡⅠ,Ⅳ和Ⅴ。5.为了验证Clade Ⅱ在茄科植物抗P.capsici过程中的作用,我们利用荧光定量PCR检测接种不同时间点Sl ROP-Ⅱ.1的相对表达量,结果表明在接菌36h后Sl ROP-Ⅱ.1的表达量显著上调,为对照(0 hpi)的4.6倍。同时,利用茄科通用沉默载体对3种寄主植物本氏烟(N.benthamiana,Nb)、番茄(S.lycopersicum,Sl)和辣椒(C.annuum,Ca)中的Clade Ⅱ中的基因ROP-Ⅱ进行沉默,结果表明沉默Nb/Sl/Ca ROP-Ⅱ.1后,3种寄主对P.capsici的抗病性均显著降低。6.为了进一步研究茄科ROP-Ⅱ对不同疫霉菌是否具有广谱抗性及其抗病机理,我们对马铃薯(S.tuberosum,St)Clade Ⅱ中的小G蛋白St ROP-Ⅱ.2的功能进行了研究,结果表明在接菌6h后St ROP-Ⅱ.2的表达量显著上调,为对照(0 hpi)的4.4倍。马铃薯中超表达St ROP-Ⅱ.2后可以提高马铃薯对马铃薯致病疫霉P.infestans的抗病性。同时,在本氏烟中瞬时表达野生型和激活型的St ROP-Ⅱ.2可以显著提高本氏烟对P.capsici的抗性水平。且在马铃薯中超表达野生型和激活型的St ROP-Ⅱ.2使得水杨酸(Salicylic acid,SA)的含量显著升高。在本氏烟中异源超表达水杨酸羟化酶编码基因Nah G使得SA的含量显著降低,与此同时Nb ROP-Ⅱ.1的相对表达量也显著下降,本氏烟对P.capsici的抗性水平也明显降低,这预示着茄科植物中小G蛋白ROP-Ⅱ通过调控SA信号路径来增强寄主对疫霉菌的抗性水平。
【图文】：

蛋白,激活态,鸟嘌呤核苷酸,失活

图 1.1 Rop 蛋白家族的功能域[11,12,16]Fig.1.1 The functional domains of Rop family[ 11 , 1 2 , 1 6 ]1.2 Rop 家族的调节因子植物细胞中 Rop 蛋白激活态(CA)和失活态(DN)的比率取决于其调节因子的活性（如图 1.2）。鸟嘌呤核苷酸交换因子（Guanine nucleotideexchange factor， GEF)促使 GDP 的解离和 GTP 的结合。G 蛋白激活蛋白（GTPase-activating protein ，， GAP)作为负调控因子将 Rop 蛋白结合GTP 的激活态转换为结合 GDP 的失活态。鸟嘌呤核苷酸解离抑制子（Guaninenucleotide dissociation inhibitor ， GDI)的功能是抑制 GDP 与 GTP 的交换。Rop 蛋白通过其激活态和失活态之间的转换与下游的效应子相互作用，进而调控寄主细胞内不同的信号转导过程[16]。

模式图,模式,鸟嘌呤核苷酸,激活态

图 1.1 Rop 蛋白家族的功能域[11,12,16]Fig.1.1 The functional domains of Rop family[ 11 , 1 2 , 1 6 ]族的调节因子中 Rop 蛋白激活态(CA)和失活态(DN)的比率取决于如图 1.2）。鸟嘌呤核苷酸交换因子（Guanine nuactor， GEF)促使 GDP 的解离和 GTP 的结合。G 蛋白tivating protein ， GAP)作为负调控因子将 Rop转换为结合 GDP 的失活态。鸟嘌呤核苷酸解离抑制子（dissociation inhibitor ， GDI)的功能是抑制 GDP白通过其激活态和失活态之间的转换与下游的效应寄主细胞内不同的信号转导过程[16]。
【学位授予单位】：内蒙古农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S436.4

【参考文献】