水稻响应纹枯病菌侵染的转录组分析与离体叶片抗纹枯病接种方法的研究

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水稻(Oryza sativa)是世界最主要粮食作物。而由立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)引起的水稻纹枯病,是水稻三大病害之一,严重影响着水稻生产。因此,培育抗纹枯病水稻品种是保证水稻高产稳产的重要途径。水稻对纹枯病的抗性属于典型的数量性状。迄今为止,尚未发现高抗或免疫的主基因抗病水稻材料,开展抗纹枯病育种研究难度较大。本研究以受纹枯病菌株YN-7侵染的水稻品种泰粳394为材料,通过对被侵染的水稻材料进行转录组分析,筛选获得了响应纹枯病菌侵染的水稻差异表达基因。此外,为了提高水稻纹枯病抗性的研究效率和满足抗纹枯病种质材料大规模筛选的需要,我们通过优化接种条件,改进了现有水稻离体叶片抗纹枯病接种方法。主要研究结果为:(1)分别从接种纹枯病菌株YN-7后10 h和20 h的水稻品种泰粳394,以及相对应时间点的未接种材料提取水稻RNA,运用RNA-Seq技术,进行转录组分析。对每个接种时间点以及每种处理条件,设置两次生物学重复。共获得9683448条高质量Clean Reads。通过比对水稻参考基因组序列,发现能够匹配到基因上的Reads数占各文库Clean Reads比例在70.63%-90.17%之间。其中,唯一位点匹配和多位点匹配的Clean Reads占各文库的比例分别分布在67.31%-85.27%和3.32%-5.10%。对测序数据进行组间关联性分析,发现在P<0.05条件下,10 h对照组、10 h处理组、20 h对照组和20 h处理组的生物学重复组间相关性依次为0.96、0.97、0.96和0.99,表明RNA-Seq测序数据的重复性强、可信度高。(2)通过RPKM法计算基因表达量,在上述8个文库中总共检测到34496个水稻基因表达。利用NOIseq方法筛选差异表达基因(DEG),与对照组比较,发现在接菌10 h和20 h后共计鉴定出361个DEGs。对上述361个DEGs进行了GO聚类分析等,发现生物学过程、细胞位置和分子功能GO注释的DEGs分别为136、205和170个。在水稻接种纹枯病菌20 h后,多个PR1基因、编码几丁质酶的相关基因、萜烯类化合物生物合成途径相关基因和JA信号途径相关基因被诱导,说明这些途径或相关基因参与了泰粳394对纹枯病菌侵染的抵御反应。(3)为了提高水稻抗纹枯病种质材料的筛选和研究效率,本研究还对水稻离体叶片抗纹枯病接种方法进行了改进。利用纹枯病菌株YN-7和MH12分别接种水稻品种YSBR1、Lemont和泰粳394。对水稻离体叶片接种的实验条件进行了更精确的控制,并采用了量化的病情调查方法。对接种的离体水稻叶片组织进行了qRT-PCR分析,结果显示水稻病程相关基因呈诱导表达,验证了纹枯病菌对水稻的侵染。此外,通过离体叶片接种、大田成株期接种、以及苗期“微室”接种,对抗纹枯病水稻品种和感病品种进行测试。抗病和感病品种纹枯病病级的统计检验呈显著差异,三种接种方法的结果表现一致。因此,改进的离体叶片接种方法具有易于操作和重复性较好的优点,适用于大规模筛选抗纹枯病水稻种质材料。
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