水稻抗白叶枯病主效基因Xa14的克隆与功能分析

来源 :华中农业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:zoogar002
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水稻是世界上重要的粮食作物。由白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae,Xoo)引起的白叶枯病是造成水稻大面积减产的罪魁祸首之一,农业生产中控制白叶枯病流行的最佳方法是利用主效抗白叶枯病基因改良水稻品种的抗性。主效抗病基因的克隆与功能的研究对减轻水稻的病害有着非常重要的科学意义和应用价值。Xa14是完全显性抗性、特异性专抗白叶枯病菌菲律宾致病小种P5(PXO112)的主效抗病基因。本研究利用IR24/IRBB14杂交F2分离群体中的599个单株,将Xa14精细定位于分子标记52940和RM5473之间。通过生物信息学手段在定位区间找到一个编码BED-NLR蛋白的候选基因,命名为RGAf-BB14。将该候选基因转入感病亲本IR24中进行功能互补验证,结果发现携带RGAf-BB14转基因植株对PXO112都表现抗性,并且T1代家系符合共分离检测,说明RGAf-BB14就是Xa14基因。比较测序发现,Xa14与Xa1是等位基因。同时,通过同源克隆和转基因互补实验证明Xa1-2和Xa31(t)是同一个基因,并且也是Xa1和Xa14的等位基因。此外,我们对该位点各等位基因所编码蛋白进行分析,发现了它们LRR区中存在一种特异性且高度保守的重复结构,称为中间串联重复(central tandem repeat,CTR)。并且,我们还命名了多个可能影响水稻抗性的结构域。比如,感病基因RGAf编码的蛋白中有干涉基序(intervening motif),而XA1、XA1-2和XA14蛋白中都没有;XA14中有连接子基序(linker),而XA1与XA1-2蛋白中不存在连接子。为了研究Xa1、Xa1-2、Xa14基因的关系,将它们分别进行杂交。接种白叶枯病菌后发现,Xa1/Xa14和Xa1-2/Xa14杂交植株的抗病程度都比亲本抗病程度低,而Xa1/Xa1-2杂交植株的抗病程度与亲本相比无明显差异。说明Xa1、Xa1-2与Xa14对白叶枯病菌的抗性可能存在拮抗作用,Xa1与Xa1-2之间不存在这种作用。进一步分析,发现这三个基因编码的蛋白可能通过氨基端的BED结构域在细胞核中发生相互作用。此外,对100个来自禾本科的同源蛋白进行进化分析,结果显示,RGAf可能首先起源于一种野生水稻,然后Xa14起源于RGAf。Xa1和Xa1-2可能是由Xa14进化生成的,但是很难确定Xa1和Xa1-2哪个出现更早。为了探究Xa14的抗病机理,对抗感材料IRBB14与IR24分别接种PXO112后分析抗病相关下游基因的表达量情况。结果发现,抗病亲本IRBB14中的Os WRKY45基因表达量明显升高。我们在携带Xa14材料中超量表达细菌的水杨酸羟化酶Nah G基因后接种PXO112,发现超量表达Nah G基因的植株对病原菌的抗性显著下降。该结果表明,在超量Nah G植株中Xa14的抗病性受到了抑制。本研究以白叶枯病为研究对象,分离克隆了Xa14以及其等位基因Xa1-2和Xa31(t),并发现Xa14、Xa1和Xa1-2之间有复杂的作用关系。如果将其聚合在同一水稻植株中,对抗性会产生不同的影响。该研究还对Xa14以及其等位基因的抗病机制进行了初步探究,发现Nah G基因可能会抑制Xa14的抗性。这些研究结果能够为水稻抗病育种提供基因资源和理论基础。
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