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柑橘青霉病是柑橘采后主要病害之一,其致病菌株是意大利青霉菌(Penicillium italicum)。小分子RNA(Small RNA, sRNA)是一种由双链RNA或具有茎环结构的单链RNA经Dicer等RNAIII酶切割成长度为20~30个核苷酸的非编码RNA分子。sRNA能够以序列特异的方式来介导转录后水平的mRNA降解或抑制基因的转录后翻译,从而调控基因的表达。在生物体内sRNA作为基因调节因子,对生物体的生长发育、生物与非生物胁迫应答等生物学过程发挥着重要的作用。本研究通过实验学的手段验证了意大利青霉菌诱导sRNA产生的Dicer-like基因的功能及其靶向调控夏橙免疫基因的生物学效应,并且揭示了意大利青霉菌sRNA种类及特征。研究的结果丰富了植物病原菌“跨界RNAi”的内涵,有助于深刻理解意大利青霉菌的分子致病机制,同时为柑橘采后保鲜和育种提供一定的理论基础。
针对意大利青霉菌sRNA的产生及功能等生物学问题,首先对意大利青霉菌进行体外培养和侵染柑橘处理,测定了柑橘被意大利青霉菌侵染后果皮细胞壁的主要成分、相关酶活性和基因表达水平的变化,同时对侵染柑橘过程中的意大利青霉菌调控sRNA合成相关基因(DCL、AGO、Rdrp)的表达情况进行了分析;其次,构建DCL基因的基因沉默载体,通过原生质体转化的方法转染意大利青霉菌,对得到的转化子进行筛选与鉴定并进一步测定转化子的生物量、致病力;最后,将野生型与转化子进行sRNA测序,将测序所得结果进行生物信息学分析,并预测了miRNA在夏橙基因组中的靶标基因,进一步通过烟草共转染试验验证了miRNA与靶基因的生物互作。研究主要结果如下:
(1)意大利青霉菌通过破损细胞壁结构侵染柑橘,而细胞壁降解的原因可能为抗氧化活性的抑制和AsA的降低引起ROS在柑橘果皮中的较高积累。意大利青霉菌侵染后的柑橘果皮细胞壁酶促降解增强,而expansin基因表达水平的提高和GLP1基因表达水平降低也在一定程度上促进了柑橘果皮细胞壁的非酶促降解。
(2)相比接种于PDA平板,在接种柑橘后培养的第1~3天,意大利青霉菌调控合成sRNA的相关基因(DCL1、DCL2、AGO1、AGO2、AGO3、AGO4和Rdrp1)的表达量均显著上调,其中接种柑橘的意大利青霉菌DCL2、AGO3、AGO4和Rdrp1的表达量在整个培养过程中均显著高于同时期PDA平板培养。
(3)通过原生质体转染的方法将意大利青霉菌DCL基因的RNAi载体传导进入意大利青霉菌体内后,鉴定和筛选出pS-DCL1-3和pS-DCL2-7两个转化子;对转化子生物量的测定发现,DCL1和DCL2基因的沉默,促进了意大利青霉菌的营养生长,但对其生殖生长无明显影响;并且我们发现DCL2基因的沉默与意大利青霉菌的致病性密切相关。利用喷施介导的RNAi技术,开发了一种直接使用外源dsDCL2介导意大利青霉菌体内DCL2基因沉默的方法,证明了外源喷施dsRNA有潜力应用于柑橘采后的病害防治。
(4)对意大利青霉菌野生型及其DCL1RNAi转化子和DCL2RNAi转化子的sRNA进行了RNA-seq测序,并对测序结果进行生物信息学分析,总共预测了12种新的microRNAs(miRNA)。对新miRNA的靶基因进行预测,得到了4个新miRNA(Pit-novel1、Pit-novel7、Pit-novel11和Pit-novel14)在夏橙基因组中潜在的5个靶基因。
(5)对意大利青霉菌中预测的12个新miRNA表达水平进行茎环qPCR验证,发现在DCL2RNAi转化子中,除了novel2miRNA的表达水平显著高于野生型以外,其余11个novelmiRNA在DCL2RNAi转化子中的表达水平均显著低于野生型。此外,意大利青霉菌中的新miRNA在侵染柑橘和平板培养两种条件下的表达水平差异显著;且Pit-novel7和Pit-novel14在意大利青霉菌侵染柑橘时表达水平的显著上调,而其潜在靶基因的表达显著降低。通过农杆菌对烟草进行共转染,对miRNA和其靶基因进行体内验证,证明了Pit-novel7靶向夏橙Cs7g19510和Pit-novel14靶向夏橙Cs7g09590。
针对意大利青霉菌sRNA的产生及功能等生物学问题,首先对意大利青霉菌进行体外培养和侵染柑橘处理,测定了柑橘被意大利青霉菌侵染后果皮细胞壁的主要成分、相关酶活性和基因表达水平的变化,同时对侵染柑橘过程中的意大利青霉菌调控sRNA合成相关基因(DCL、AGO、Rdrp)的表达情况进行了分析;其次,构建DCL基因的基因沉默载体,通过原生质体转化的方法转染意大利青霉菌,对得到的转化子进行筛选与鉴定并进一步测定转化子的生物量、致病力;最后,将野生型与转化子进行sRNA测序,将测序所得结果进行生物信息学分析,并预测了miRNA在夏橙基因组中的靶标基因,进一步通过烟草共转染试验验证了miRNA与靶基因的生物互作。研究主要结果如下:
(1)意大利青霉菌通过破损细胞壁结构侵染柑橘,而细胞壁降解的原因可能为抗氧化活性的抑制和AsA的降低引起ROS在柑橘果皮中的较高积累。意大利青霉菌侵染后的柑橘果皮细胞壁酶促降解增强,而expansin基因表达水平的提高和GLP1基因表达水平降低也在一定程度上促进了柑橘果皮细胞壁的非酶促降解。
(2)相比接种于PDA平板,在接种柑橘后培养的第1~3天,意大利青霉菌调控合成sRNA的相关基因(DCL1、DCL2、AGO1、AGO2、AGO3、AGO4和Rdrp1)的表达量均显著上调,其中接种柑橘的意大利青霉菌DCL2、AGO3、AGO4和Rdrp1的表达量在整个培养过程中均显著高于同时期PDA平板培养。
(3)通过原生质体转染的方法将意大利青霉菌DCL基因的RNAi载体传导进入意大利青霉菌体内后,鉴定和筛选出pS-DCL1-3和pS-DCL2-7两个转化子;对转化子生物量的测定发现,DCL1和DCL2基因的沉默,促进了意大利青霉菌的营养生长,但对其生殖生长无明显影响;并且我们发现DCL2基因的沉默与意大利青霉菌的致病性密切相关。利用喷施介导的RNAi技术,开发了一种直接使用外源dsDCL2介导意大利青霉菌体内DCL2基因沉默的方法,证明了外源喷施dsRNA有潜力应用于柑橘采后的病害防治。
(4)对意大利青霉菌野生型及其DCL1RNAi转化子和DCL2RNAi转化子的sRNA进行了RNA-seq测序,并对测序结果进行生物信息学分析,总共预测了12种新的microRNAs(miRNA)。对新miRNA的靶基因进行预测,得到了4个新miRNA(Pit-novel1、Pit-novel7、Pit-novel11和Pit-novel14)在夏橙基因组中潜在的5个靶基因。
(5)对意大利青霉菌中预测的12个新miRNA表达水平进行茎环qPCR验证,发现在DCL2RNAi转化子中,除了novel2miRNA的表达水平显著高于野生型以外,其余11个novelmiRNA在DCL2RNAi转化子中的表达水平均显著低于野生型。此外,意大利青霉菌中的新miRNA在侵染柑橘和平板培养两种条件下的表达水平差异显著;且Pit-novel7和Pit-novel14在意大利青霉菌侵染柑橘时表达水平的显著上调,而其潜在靶基因的表达显著降低。通过农杆菌对烟草进行共转染,对miRNA和其靶基因进行体内验证,证明了Pit-novel7靶向夏橙Cs7g19510和Pit-novel14靶向夏橙Cs7g09590。