玉米抗丝黑穗病主效QTL的克隆与抗病机理研究.docx

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1、玉米抗丝黑穗病主效QTL的克隆与抗病机理研究玉米丝黑穗病是由丝轴黑粉菌(Sporisoriumreilianum)引起的一种真菌性土传病害,在世界各玉米产区均有发生,对全球玉米生产造成了严重的威胁。为此,培育和推广玉米抗病品种是有效防治丝黑穗病,确保玉米生产可持续发展的最经济有效的措施。遗传研究表明,玉米抗丝黑穗病受多基因控制,属于数量性状遗传。前期我们在玉米第2号染色体bin2.09定位了一个主效抗病QTL,定名为qHSRl,能解释36%的表型变异。我们利用重组个体后代检测法,对这一主效QTL进行了连续的精细定位,最终将它限定在分子标记STS1M3和ST

2、S3M1之间。通过筛选抗病自交系Mo17和感病自交系黄早四的BAC文库,获得了覆盖定位区段的阳性BAC克隆。测序后发现,定位区段内黄早四比Mo17缺失147-kb的DNA片段。我们在定位区段内对抗病Mo17进行基因预测,发现5个与抗病相关的基因,它们分别是ZmWAK,ZmHCH,ZnTIF,ZmXa21和-1ZmXa21-2。结合前期的研究结果,本实验对5个抗病相关基因进行表达分析,确定ZmWAK为抗病候选基因。从抗病自交系Mo17阳性BAC中亚克隆ZmWAK基因,转基因结果表明该基因能显著提高玉米对丝黑穗病的抗性。同样,RNAi干扰实验发现ZmWAK基因

3、的表达量降低造成玉米抗性的减弱。上述转基因功能互补和RNAi干扰试验证实ZmWAK基因即为抗病主效QTL-qHSR1.ZmWAK编码细胞壁相关的激酶,定位于细胞膜上,可能作为受体激酶识别胞外信号。对ZmWAK的表达模式进行分析,发现ZmWAK基因在玉米幼苗和成熟植株的不同组织中均有表达。其中以幼苗的中胚轴以及成熟植株的第一节茎以及最上部的叶片表达量最高。对玉米的胚芽鞘进行接种发现,ZmWAK能够被S.reilianum诱导表达。我们用一组近等基因系HZ4(感病)和HZ4-qHSRl(抗病)开展抗病分子机理研究。结果表明丝轴黑粉菌均可侵入抗、感玉米幼根,并在

4、中胚轴基部大量积累。在感病HZ4中,病原菌可以快速通过中胚轴抵达地上部组织,进而在灌浆期诱发病害。相反,在抗病HZ4-qHSR1中,由于ZmWAK基因在中胚轴中大量表达,抑制了病原菌的顶向生长,从而减轻了病害的发生。组织细胞学分析表明丝轴黑粉菌通过中胚轴的韧皮部细胞向上生长,RNA原位杂交显示ZmWAK在环绕韧皮部的中柱鞘薄壁细胞和木质部薄壁细胞中高表达。对水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)介导的抗病途径基因进行分析,发现高表达的ZmWAK主要诱导水杨酸介导的抗病基因表达,如ZmPR-1和ZmPR5,从而抑制病原菌生长。对不同抗、感自交系的ZmWAK等位基因研

5、究发现,各种ZmWAK等位基因在根和叶中的表达并无显著差异,然而,在中胚轴中抗病等位基因的表达量显著高于感病等位基因。这些结果证明ZmWAK基因在中胚轴中的表达对于玉米丝黑穗病的抗性具有至关重要的作用。对522份玉米自交系和184大刍草材料进行ZmWAK的PAV多态性分析,发现ZmWAK的缺失只在玉米材料中检测到,表明ZmWAK的缺失可能在玉米驯化之后发生。对其中的54份玉米材料和23份大刍草材料进行测序,发现在ZmWAK第三个外显子上存在选择性清除区域,这一区域涵盖激酶功能域,推测激酶功能域在进化中高度保守。综合实验结果表明,ZmWAK在玉米的丝黑穗抗病

6、中起重要作用,主要通过在中胚轴中的高表达引起抗病相关反应,从而抑制S.reilianum的向上生长,提高玉米的抗性。