利用转录组技术探索牛筋草对草甘膦的抗药性机制

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牛筋草(Eleusine indica(L.)Gaertn.)是一种恶性杂草,广泛分布于温带和热带地区,严重危害我国果园、菜地、棉田等作物田。草甘膦是一种优良的灭生性除草剂,是以上作物田中防除牛筋草的常用除草剂。在我国部分常年、高频施用草甘膦的地区,牛筋草种群难以被防除,对农业造成较严重损失。因此,明确牛筋草对草甘膦的抗药性机制对其防除以及草甘膦的合理使用都有重要意义。本研究以前期筛选的抗性与敏感牛筋草植株为材料,利用转录组测序技术对牛筋草功能基因进行测序与注释,并筛选验证了抗性相关基因,继而对重要的抗性基因进行了功能验证。主要结果如下:基于illumina技术测序平台,得到过滤数据24597462条。通过组装拼接得到84531(>200bp)条转录本,其平均长度为1235bp,得到48852条单一序列(Unigenes)。其中数据库GO注释的基因数目为21957,分为56个代谢分枝。数据库KOG注释的基因数目为9685,分为26个组。通过注释基因的差异表达分析,筛选出表达差异基因3059条。利用荧光定量PCR的方法验证了20条抗性相关基因的表达,并进一步对抗性相关基因磷酸果糖激酶(PFK)进行了深入研究。草甘膦840g a.i.ha-1处理后48h,抗性植株中PFK的表达是敏感植株的40.5倍,且抗性植株中莽草酸的含量仅为敏感植株的0.12倍。进一步研究发现,抗性植株中PFK在基因组上的拷贝数是敏感植株的20.3倍,且PFK的拷贝数与表达量呈线性相关。离体酶活分析表明,PFK蛋白的活性随着植株体内拷贝数的增多而提高。进一步检测发现,在抗性植株体内PFK基因的拷贝数与磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)的含量呈线性相关。PEP是草甘膦的竞争底物,根据酶活理论,提高PEP的浓度可以降低草甘膦的效果。本研究发现,抗性牛筋草植株体内磷酸果糖激酶的活性显著增高,进而增加了草甘膦的竞争底物PEP的含量,这可能是牛筋草对草甘膦产生抗性的机制之一。
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