【摘 要】
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WRKY转录因子作为植物中最大的转录因子家族之一,与其他众多调控因子共同构成了植物基因表达的调控网络。它们在各种胁迫反应、发育和生理过程中都起着重要作用。小麦条锈病作为对小麦危害最严重的病害之一,对小麦的产量造成了严重威胁。选育和种植优良的抗性品种是防治条锈病大规模流行的主要策略之一。相比于全生育期抗性,小麦成株期抗性具有抗性时效久、抗病谱广等特点,具有良好的育种潜力。前期研究证明了Ta WRKY
【基金项目】
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国家自然科学基金(31972352,31772150); 国家重点研发计划(2018YFD0200408); 陕西省科技创新团队(2018TD-004); 现代农业产业体系(No. CARS-03);
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WRKY转录因子作为植物中最大的转录因子家族之一,与其他众多调控因子共同构成了植物基因表达的调控网络。它们在各种胁迫反应、发育和生理过程中都起着重要作用。小麦条锈病作为对小麦危害最严重的病害之一,对小麦的产量造成了严重威胁。选育和种植优良的抗性品种是防治条锈病大规模流行的主要策略之一。相比于全生育期抗性,小麦成株期抗性具有抗性时效久、抗病谱广等特点,具有良好的育种潜力。前期研究证明了Ta WRKY41在小麦成株期抗条锈病中发挥作用,但Ta WRKY41如何调控小麦成株期抗性仍不清楚。为此,本研究鉴定了Ta WRKY41的互作靶标并分析了其表达模式;确定了Ta WRKY41调控的下游基因及其调控方式,揭示了Ta WRKY41在小麦成株期抗条锈中的作用机理。研究结果丰富了成株期抗性的分子理论,并为创制小麦持久抗性品种提供了重要的理论依据。主要研究结果如下:1.为了确定调控Ta WRKY41的靶标,利用酵母双杂交技术在小麦与条锈菌非亲和互作文库中筛选得到Ta WRKY41候选靶标7个,确定了Ta WRKY41与条锈菌分泌蛋白Pst_13662和植物蛋白Tatriticain alpha互作。序列分析发现,Tatriticain alpha在小麦染色体上具有两个拷贝,分别位于染色体2A和2B,两者相似性为97.7%。Tatriticain alpha在山羊草、大麦、高粱、玉米以及水稻之间具有较高的保守性。本氏烟中亚细胞定位发现,Tatriticain alpha△SP与Ta WRKY41特异性定位在细胞核,说明它们在空间上具有互作的可能。Ta WRKY41与Tatriticain alpha均在成株期上调表达,其中Ta WRKY41在成株期(旗叶)的表达量是苗期(二叶)上的200倍,Tatriticain alpha在成株期的茎、旗叶以及颖壳中的表达量也显著高于苗期,推测它们可能都在成株期发挥作用。2.为了明确Ta WRKY41调控的基因,通过Ch IP-seq分别对成株期与苗期Ta WRKY41下游靶基因进行了筛选和分析。研究发现成株期Ta WRKY41共富集到片段58383个,苗期为47869个,90%以上的片段定位在基因间隔区,推测在基因间隔区中可能存在某些顺式元件能够与Ta WRKY41结合并对转录起调控作用;富集片段核心元件分析得到含有WRKY结合的核心序列TTGACC/T(W-box)的片段:成株期22931个,占比39.28%,苗期19132个,占比39.97%。统计了成株期与苗期位于启动子区的片段,发现成株期Ta WRKY41富集基因1090个,苗期为1051个,其中苗期与成株期差异基因有227个,成株期Ta WRKY41富集量上调的基因有109个,下调的有118个。对差异基因进行GO注释与KEGG通路分析,发现这些基因主要与呼吸电子传递链有关,集中在氧化磷酸化、光合作用以及代谢相关通路。为了揭示Ta WRKY41的调控方式,参照生物信息学分析结果,从成株期富集量上调的基因中选出了4个启动子区带有W-box且可能与抗病相关的候选靶基因进行了研究。EMSA实验证明了Ta WRKY41能够与W-box体外互作,说明Ta WRKY41可调控这些靶标基因。利用小麦原生质体转化分析了候选基因的启动子活性,发现Ta WRKY41对Ta Ndase1A、Ta Nds4、Ta NIK1L和Tatsn1L具有转录调控作用,其中Ta Ndase1A、Ta Nds4以及Tatsn1L受Ta WRKY41转录激活作用,Ta NIK1L被抑制转录。通过分析这些基因的结构域以及参考功能明确的同源基因,推测Ta Ndase1A、Ta Nds4可能与ROS的产生有关,Ta NIK1L与Tatsn1L可能与抗病信号的识别传递以及细胞坏死有关。研究结果说明Ta WRKY41能够通过激活和抑制两种调控方式对下游基因进行转录调控。
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