大豆花叶病毒SC8株系抗病片段内两个候选基因的功能鉴定

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大豆花叶病毒(Soybean Mosaic Virus,SMV)病严重危害全球大豆[Glycine max(L.)Merr]的产量和品质。SMV存在致病性差异,目前中国的SMV分化为22个株系(SC1-SC22),其中SC8是我国南方大豆产区的流行株系,对我国的大豆生产构成了威胁,然而至今,尚无有效药剂可防SMV。培育大豆抗病品种是防治SMV最经济、环保及有效的方法,克隆抗病基因以及抗病机理的研究可为大豆对SMV抗病育种提供理论基础。对大豆抗SMV育种具有重要意义。本研究的主要内容为:(1)通过广谱抗病品种科丰1号和广谱感病品种南农1138-2杂交组合的RILs群体,利用3863个SNPLDB标记对Rsc8进行定位,确定Rsc8抗病片段,对候选基因进行在抗感品种间的SMV诱导表达分析,从而确定本研究要鉴定的目标候选基因;(2)克隆抗病候选基因,对其进行序列分析,亚细胞定位以及组织特异性表达分析;(3)在抗病品种科丰1号上对Rsc8候选基因进行VIGS沉默验证,并检测SMV积累量,验证其功能;(4)在感病品种南农1138-2上对Rsc8候选基因进行过表达验证其功能。主要研究结果如下:1.大豆花叶病毒株系SC8抗病片段候选基因的确定根据科丰1号与南农1138-2组合的高世代RILs中419个家系的表型和基因型数据,将SC8抗病位点定位在2号染色体上,位于标记Gm0213405027和Gm0212352061之间,与两个标记的遗传距离分别为5.8cM和1.0cM。在抗病片段内选取 17 个基因,分别为 Gm.02g121300、Gm.02g1215400、Gm.02g121500、Gm.02g121600、Gm.02g121700、Gm.02g121800、Gm.02g121900、Gm.02g122000、Gm.02g122100、Gm.02g122200、Gm.02g122300、Gm.02g122400、Gm.02g122500、Gm.02g122900、Gm.02g123700、Gm.02g124300、Gm.02g127800。对这些基因在抗感品种间进行了 SMV诱导表达分析,在接种SMV后,Gm.02g121500、Gm.02g121600这两个基因的表达量均在2h抗、感品种表达差异显著,科丰1号显著高于南农1138-2,表明科丰1号候选基因的表达能快速响应SMV的侵染,而其它候选基因抗感品种间差异不显著。因此,选择大豆花叶病毒SC8株系抗病区间基因Gm.02g121500和Gm.02g121600作为本研究目标基因验证其功能。2.大豆抗SC8候选基因的克隆及表达分析克隆了科丰1号与南农1138-2的(Gm.02g121500、Gm.02g121600基因完整ORF的cDNA片段,Gm.02g121500 CDS全长735bp,编码244个氨基酸,等电点为6.68,相对分子质量为28.2kDa;Gm.02g121600 CDS全长732bp,编码243个氨基酸,等电点为8.65,相对分子质量为28.2kDa。通过序列比对,发现抗感品种间Gm.02g121500 CDS序列存在一个SNP差异,氨基酸序列无差异,抗感品种间Gm.02g121600 CDS序列无差异。通过氨基酸序列分析,Gm.02g121500、Gm.02g121600编码的氨基酸序列具有典型的MADS-box基因结构域。系统发育分析显示,Gm.02g121500属于SEP亚家族,Gm.02g121600基因属于AP1亚家族,SEP与AP1是与ABCDE模型相关的亚家族,组织特异性表达分析发现Gm 002g12150、Gm.02g121600均在花中表达最高,其次是荚,且明显高于其它组织,表明Gm.02g121500、Gm.02g121600也可能参与大豆生长发育调控,尤其是花器官发育。亚细胞定位结果表明2个目标基因在细胞核上表达。3.Rsc8候选基因的VIGS沉默验证在验证VIGS系统可用之后,将构建好的VIGS重组载体摩擦接种到完全展开的第一对真叶上后,检测侵染成功,科丰1号中的Gm.02g121500沉默75%左右,Gm.02g121600沉默80%左右后,在BPMV发病叶片上接种SMV(SC8),qRT-PCR结果显示21天SMV积累量相对于14天有少量增加,但相对于空载,SC8积累量没有显著增加;DAS-ELISA结果显示,科丰1号VIGS-Gm.02g121500、VIGS-Gm.02g121600植株沉默相应基因后,接种SMV,检测上位叶SMV积累,科丰1号检测结果呈阴性。qRT-PCR检测SMV积累量结果一致,与DAS-ELISA结果相符。此结果没有充分表明目标基因直接参与SMV抗病,这可能是由于目标基因本身在叶片中的表达量很低,或者没有沉默彻底有关。4.Rsc8候选基因的过表达验证将南农1138-2中的Gm.02g121500过表达8倍左右,在BPMV发病叶片上分别接种SMV株系SC3、SC7、SC8。qRT-PCR结果显示:南农1138-2 OE-Gm.02g121500植株14天和21天后检测SMV相对积累量,结果显示都积累了 SMV,但低于空载。21天相较于14天积累量增多了,14天SMV积累量明显低于空载,21天SMV积累量和空载的差异不显著,特别是SC8,DAS-ELISA结果与qRT-PCR检测结果一致。此结果表明Gm.02g121500可能不参与SMV抗病。将Gm.02g121600过表达200倍左右后,OE-Gm.02g121600植株分别接种SC3、SC7、SC8后,14天和21天检测SC3、SC7几乎都没有积累,SC8少量积累,21天较14天积累有所增加,但相对于空载,其含量很低,可以忽略不计。另外,DAS-ELISA结果显示接种SC3和SC7后,SMV检测呈现阴性,SC8呈阳性,但含量较对照非常低,此结果与qRT-PCR检测结果一致。该结果表明候选基因Gm.02g121600作为一个转录因子可能正向调控SMV抗病,且不针对特异株系,可能参与SMV广谱抗性。
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