水杨酸诱导高粱对炭疽病抗性的机理研究

高粱是世界第五大谷类作物,遗传多样性丰富,具有挖掘重要基因资源的巨大潜力。而且高粱是二倍体,基因组简单,约730 MB,可作为研究禾本科C4作物的模式植物。随着全球人口增长和环境恶化,高粱因耐旱、耐寒、抗盐碱能力出众,近年来受到育种学家的重点关注,然而高粱生产过程中经常遭受病虫害。高粱炭疽病是由半寄生型病原菌-炭疽菌(Colletotrichum subblineolum)引起的最具破坏性的高粱病害之一。已知水杨酸(Salicylic acid,SA)是植物免疫不可或缺的植物激素,但SA是否参与调控高粱对炭疽病的抗性还未被深入探究。通过研究发现高粱炭疽菌感染诱导了 SA应答基因的表达,且外源SA增强了高粱BTx623自交系对炭疽病的抗性。为了排除SA诱导的高粱炭疽病抗性是由SA对炭疽菌的直接毒性作用引起的可能性,本研究通过SA抑制高粱生长的实验鉴定出BTx623为SA敏感材料,WHEATLAND为SA不敏感材料。SA处理不能诱导WHEATLAND的炭疽病抗性,表明内源性SA信号通路是SA触发抗性所必需的。通过分析高粱SA敏感与不敏感材料经SA处理后的转录组变化,发现SA处理之后BTx623中共检测到5355个差异表达基因(Deferent expressing genes,DEGs),而 WHEATLAND 中仅检测到 3444 个 DEGs,且两个自交系中共同受SA调控的DEGs在BTx623中的表达量变化更显著。转录组数据进一步证明BTx623是SA敏感系,WHEATLAND为SA不敏感系。SA预处理后再接种炭疽菌的转录组数据显示BTx623中富集到2125个DEGs,而在WHEATLAND中仅富集到524个DEGs。参与植物免疫应答的角质、软木质、蜡质生物合成途径以及参与植物抗炭疽病的类黄酮生物合成途径只在BTx623特异性上调的基因中富集。此外,一些免疫相关基因以及植物抗病基因(Plant disease resistance genes,R gene)特异性地在BTx623中差异表达。由于实验过程中发现不同高粱自交系对SA的敏感性存在一定的差异,为了进一步解析SA如何调控高粱对炭疽病的抗性,本研究检测了 299个高粱自交系对SA的敏感性并进行基因组关联分析(Genome-wide association study,GWAS)。结果显示一个位于bHLH类转录因子SbMYC编码基因内的单核苷酸多态性(Single nucleotide polymorphism,SNP)位点与高粱幼苗对SA的敏感性显著关联,该SNP位点使SbMYC的亮氨酸拉链(Leucine zippers,Zip)结构域序列发生错义突变。已有报道显示MYC转录因子对植物响应SA至关重要,因此本研究拟深入探究SbMYC在高粱响应SA和炭疽病抗性中的功能。首先通过克隆SbMYC基因并将其转入拟南芥myc2突变体中,研究其生物学功能。结果显示突变位点氨基酸序列与其他物种中Zip功能域位点序列一致的SbMYCT形式可以更好地互补拟南芥myc2突变体的表型。表明SbMYC这种由于GWAS分析得到的候选SNP造成的错义突变,可能影响了其功能。这也许是造成不同高粱自交系之间对SA敏感性差异的原因,但具体的机制还有待深入研究。本研究将通过在高粱中过表达和突变SbMYC来进一步验证该基因的功能,现已拿到转基因高粱的T0代株系。研究结果将为深入开展高粱炭疽病抗病基因研究以及抗病育种提供重要参考。 ...