玉米抗纹枯病全基因组差异表达基因分析及分子调控机制研究

发布时间：2017-12-10 05:25

  本文关键词：玉米抗纹枯病全基因组差异表达基因分析及分子调控机制研究

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【摘要】：玉米纹枯病是我国西南玉米产区主要真菌性病害之一,并且呈逐年加重及加速蔓延趋势,严重制约玉米产量与品质。近几年来,传统育种策略与玉米纹枯病分子生物学研究结果与成果转化研究已取得一定进展,然而相关抗病基因表达调控网络及调控机制尚不清楚。因此,鉴定与筛选抗病差异基因并深入探究玉米纹枯病病原菌浸入过程中复杂抗病分子机理仍是当前抗病分子育种研究的重点。本研究选取高耐玉米纹枯病自交系R15和高感自交系Ye478为供试材料,立枯丝核菌高致病性融合菌群AG1-IA为致病病原菌,结合Solexa数字基因表达谱与miRNA深度测序手段,筛选差异表达基因及转录因子基因,结合miRNA原位杂交、实时荧光定量PCR(qRT-PCR)等方法分析纹枯病胁迫诱导相关转录因子及miRNA的表达动态,进而鉴定差异表达的miRNA所调控的转录因子表达模式及其基因表达调控网络。主要结果如下：1.数字表达谱(DGE)测序结果显示,处理组与对照组文库中共发现159532(56.7%)及110518(53.9%)测序标签可比对到玉米基因组上；处理组和对照组文库共有21253个基因表达,其中2个文库均表达基因18090个,对照组和处理组分别有19700和19643个基因表达；与对照组比较,处理组共获得差异表达基因3230个,其中上调基因1476个上调率为45.7%,下调基因1754个,占总差异基因总数的54.3%。2.GO分子功能注释结果显示,差异表达基因多属结合和催化相关基因,主要参与代谢作用、细胞过程、刺激应答、生物学调节、细胞机构合成等生物过程。其中,刺激应答基因比例较大。KEGG Pathway分析结果表明,纹枯病侵入诱导大量差异表达基因主要积累在代谢调控途径,植物-病原菌互作途径,并且参与糖类以及植物激素的合成,特别是淀粉和蔗糖代谢途径,萜类及类固醇的大量合成,半胱氨酸和蛋氨酸代谢合成等；另外,部分差异基因参与泛素调控途径及氧化磷酸化途径。我们进一步选取了类萜生物合成途径及GA生物合成途径关键的部分差异表达基因并且在抗感自交系中进行差异基因表达的验证及分析。3.共确定411差异表达转录因子基因,其中纹枯病抗病胁迫诱导上调表达转录因子基因156个,主要包括转录因子基因家族ERF(21个)、WRKY(18个)、bHLH(18个)、MYB(16个)、NAC(11个)、C2H2(8个)、bZIP(6个)、GRAS(6个)、ARF(2个)、TCP(2个)、ZF-HD(2个)等；下调表达转录因子基因245个,主要包括转录因子基因家族ERF(18个)、WRKY(6个)、bHLH(24个)、MYB(17个)、NAC(8个)、C2H2(14个)、bZIP(18个)、GRAS(10个),ARF(8个)、HD-ZIP(10个)、SBP(5个)；Mapman功能注释结果显示,差异转录因子基因主要涉及激素信号转导通路以及氧化还原状态的内稳定。4.结合课题组前期miRNA深度测序结果,本研究对其中显著差异表达：miRNA靶基因预测,并与抗纹枯病DGE数据库比对,结果显示DGE数据库与其miRNA靶基因重合的转录因子基因家族主要为：SBP、ARF、GRAS、AP2-ERF、MYB、TCP、GRF等。qRT-PCR验证结果显示,各差异表达miRNAs表达趋势与深度测序结果基本相符；测序数据表达量高于qRT-PCR定量差异表达数据,是由于其不同的算法所致；差异表达转录因子基因表达趋势与数字基因表达谱测序结果基本一致。5.为进一步阐明miRNAs靶向调控转录因子在玉米纹枯病侵入过程中扮演的重要角色,本研究以Zma-miR393b靶向调控F-box TIR1转录因子为切入点,对miRNA393b及其靶标F-box TIR1因子进行物种进化分析及差异表达分子验证,结果表明miRNA393b家族在不同植物中具有高度保守性,靶标F-box TIR1家族成员在不同的物种中呈现出独立的序列进化及多样性；qRT-PCR结果表明,Zma-miR393b下调表达导致其靶基因F-box蛋白积累,进而通过参与泛素调控途径响应病原菌入侵；原位杂交结果表明纹枯病侵入早期Zma-miR393b初生韧皮部叶鞘显著表达,随后深入后生韧皮部维管束鞘和初生木质部组织,其后完全侵入周围组织的初生木质部和后生木质部组织。基于前人的研究以及本研究中的一些结果,我们构建了miRNA-TF抗病调控途径。我们推测,植物感知纹枯病胁迫处理信号后,产生大量的miRNA如miR156,miR159,miR160等,从而反向调控大量的转录因子蛋白如WRKY,MYB,NAC等功能蛋白的转录表达。最后激活防御信号调控网络通路基因产生抗性来应激纹枯病的入侵。另外通过与病原菌蛋白受体结合,产生一些R基因产物(NBS-LRR,LRR激酶等),从而调理转录因子的表达以及激素的内稳态,最后激活防御相关信号调控网络通路基因,产生压力胁迫响应及植物抗病防御反应。
【学位授予单位】：四川农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S435.131.4

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本文编号：1273311