为了揭示不同品种以及不同器官中内生菌的多样性特征,初步明确内生菌群落结构与宿主品种及器官类型的相关性。以感谷瘟病品种沙湾谷子、冀谷22和抗谷瘟病品种小青谷、石榴子为材料,分别取植株的茎、叶片、叶鞘,通过基于16S rDNA V3—V4区的高通量测序进行微生物多样性分析。结果显示,感病品种与抗病品种内生菌物种组成具有一定差异性,所用供试样本中,门水平优势类群均为变形菌门、放线菌门,拟杆菌门、绿弯菌门、粘菌门、厚壁菌门次之。Alpha多样性分析表明,感病品种(沙湾谷子、冀谷22)叶片内生菌丰富度较高;PCoA分析则表明,器官类型比品种对内生菌群落结构影响更大。物种组成分析表明,感病品种沙湾谷子及冀谷22含有与小青谷、石榴子(抗谷瘟病)差异较大的内生菌群,感谷瘟病品种(沙湾谷子、冀谷22)叶片都具有Entotheonellaeota;抗谷瘟病品种则在叶鞘中均具Hydrogenedentes。明确了感、抗谷瘟病品种谷子及各个品种的不同器官内生菌的多样性及群落结构具有一定差异,器官类型比品种对内生菌群落结构的影响更大。

综合利用CRISPR/Cas9基因编辑技术和基因芯片技术,聚合主效R基因Pigm和非R基因bsr-d1,以改良优良食味水稻品种水晶3号的稻瘟病抗性。首先利用CRISPR/Cas9基因编辑系统,以Bsr-d1为靶基因构建重组表达载体并通过农杆菌介导法转化水晶3号,筛选获得无T-DNA元件的bsr-d1纯合突变体,包括T插入、G插入、GA缺失、CGCA缺失和CGCAGA缺失5种突变类型。以无T-DNA成分的bsr-d1纯合突变体为母本、以携带Pigm基因的金玉1号为父本杂交、回交、自交,并利用分子育种芯片同时进行Pigm基因和背景辅助选择,最终获得抗病基因(同时携带bsr-d1和Pigm基因)纯合,且背景回复率均在96%以上的水晶3号改良株系(SJ3-G1、SJ3-G2、SJ3-G3、SJ3-G4、SJ3-G5)。稻瘟病抗性鉴定结果表明,各改良株系对稻瘟病生理小种GUY11的叶瘟抗性与野生型相比均显著提高;接种稻瘟病菌后,改良株系叶片中POD活性显著低于野生型对照,H₂O₂含量则显著高于野生型对照。通过CRISPR/Cas9基因编辑技术结合基因芯片技术获得了同时携带bsr-d1和Pigm基因的抗稻瘟病水晶3号改良系。

为了挖掘稻曲病菌中的真菌病毒资源,深入解析新型真菌病毒基因组结构与功能的关系,以分离自海南省的一株表型异常的稻曲病菌菌株Uv321为研究对象,在前期宏转录组数据的基础上,鉴定该菌株中存在的新型真菌病毒的种类,并围绕着该新型真菌病毒开展了一系列的研究。结果表明,在菌株Uv321中鉴定到一种新型真菌病毒,命名为Ustilaginoidea virens botourmiavirus 7(UvBV7)。UvBV7基因组为正单链RNA(+ssRNA),全长2 406 nt,GC含量为53.78%,包含一个编码RNA依赖的RNA聚合酶(RdRP)的开放阅读框(ORF),该ORF编码643个氨基酸,分子量约为72.727 ku。病毒末端二级结构预测表明,UvBV7的5'和3'末端的碱基均互补配对,形成发夹结构。BlastP比对表明,UvBV7与隶属于葡萄孢欧尔密病毒科、Botoulivirus病毒属的病毒Erysiphe necator associated ourmia-like virus 72有着最高的相似度,但仅为44.52%。基于UvBV7及其他相似病毒的RdRP序列的多重比对结果表明,UvBV7与葡萄孢欧尔密病毒科成员的RdRP氨基酸序列存在8个保守结构域,并在第Ⅵ保守结构域中发现GDD基序,这是病毒RdRP蛋白典型的高度保守核心基序;基于病毒RdRP氨基酸序列构建的系统发育树的结果也表明,UvBV7与隶属于Botoulivirus属的成员聚集成一簇。因此,UvBV7是隶属于葡萄孢欧尔密病毒科、Botoulivirus属的一种新型真菌病毒。稻曲病菌不同菌株的对峙培养结果表明,UvBV7可在营养体亲和的菌丝间进行水平传播,但菌丝尖端-利巴韦林法、高温-利巴韦林法和原生质体再生-利巴韦林法处理均不能将菌株Uv321中的真菌病毒UvBV7脱除。综上所述,本研究不仅丰富了稻曲病菌中真菌病毒的多样性,也为稻曲病的生物防治提供了潜在的低毒力生防因子。

成株期抗叶锈病基因Lr12在生产上具有良好抗性,为Lr12进行精细定位并开发可靠的分子标记,以感病材料Thatcher和含Lr12抗性基因的近等基因系RL6011为亲本杂交产生F₁,进一步自交产生F₂单株和F_2∶3 家系。在田间利用5种强毒力叶锈菌混合小种(PHTT、THKS、THTT、PHTS和PHKS)接种F₂单株和F_2∶3家系进行成株抗叶锈性鉴定和抗性遗传分析。随后利用16K液相芯片对F₂的10个抗病单株和10个感病单株进行基因分型,获得与Lr12紧密连锁的SNP位点,确定抗病基因所在的染色体物理区间,开发SSR分子标记并构建遗传连锁图谱。结果表明,对RL6011(Lr12)/Thatcher的3 494个F₂单株进行抗叶锈性鉴定,抗病单株与感病单株之间的分离比符合3∶1( {\mathrm{\chi }}_{3:1}^2 =0.14;P=0.71)。对685个F_2∶3家系进行抗叶锈性鉴定,抗病单株、抗病杂合单株与感病单株之间的分离比符合1∶2∶1( {\mathrm{\chi }}_{1:2:1}^2= 2.01;P=0.37),表明Lr12为显性基因且群体分离符合单基因遗传规律。通过遗传连锁图谱分析成株期抗叶锈病基因Lr12基因位于SSR分子标记YK12817和YK12928之间,遗传区间为0.38 cM,对应中国春参考基因组(IWGSC.Ref.V1.0)中4BL染色体579.44~581.53 Mb物理范围内共2.09 Mb的物理区间。上述结果为预测候选基因提供了确定的依据。

麦根腐平脐蠕孢是玉米根腐病的重要病原菌之一,旨为建立一种基于环介导等温扩增技术(LAMP)的麦根腐平脐蠕孢快速检测方法。首先,根据麦根腐平脐蠕孢参与黑色素生物合成途径的Brn1基因部分序列设计了一套LAMP检测引物;然后,针对该引物组筛选了其最佳反应温度,检测了LAMP反应的特异性和灵敏度,并以人工接种麦根腐平脐蠕孢的玉米根腐病病株为样本评价了LAMP检测方法的效果。结果表明,本研究设计的引物组在61~68 ℃条件下均能实现对靶标基因的扩增,其中以66 ℃为最佳反应温度;在特异性检测中,引物组能从10种分离自玉米根腐病样本的主要病原真菌DNA中特异性地检测出麦根腐平脐蠕孢;在灵敏度检测中,对携带靶基因Brn1的质粒DNA最低检测限是10 copies/μL,在此检测限浓度下,25 min左右即可实现扩增;在对玉米根腐病样本检测中,在1 pg/μL的玉米根组织DNA中即可检测出麦根腐平脐蠕孢。建立的麦根腐平脐蠕孢LAMP检测方法具有较强的特异性和较高的灵敏度。

为选育优质抗稻瘟病保持系软华B,以携带稻瘟病抗性基因Pi46和Pi2的优质籼稻H281作为供体亲本、以软华B为轮回亲本,利用分子标记辅助选择(MAS)技术结合系谱选育法,聚合2个外源基因以改良保持系软华B。对性状稳定的改良株系进行稻瘟病抗性鉴定、稻米品质分析等。通过回交及多代自交,并结合分子标记检测,获得以软华B为遗传背景且含有2个纯合目标基因的BC₁F₆群体2个、BC₂F₅群体2个、BC₃F₄群体2个。田间自然诱发鉴定结果表明,不同回交世代改良材料在自然病圃均抗稻瘟病;育性鉴定结果显示,回交世代对不育系的不育度为52.7%~100.0%;农艺性状考查及米质分析表明,改良株系基本保留了软华B的主要农艺性状和稻米品质特性。SNP基因芯片分析结果显示,BC₁F₆的背景回复率为74.42%~77.77%,BC₂F₅的背景回复率为86.42%~87.75%,BC₃F₄的背景回复率为92.27%~92.59%。利用连续回交、自交和分子标记辅助选择等技术可有效聚合多个抗性基因,获得抗稻瘟病的新保持系,快速实现保持系软华B的分子改良,为选育抗病、优质的杂交稻组合提供良好的亲本材料。

为探究RPM1在高粱抗病过程中的作用,以高粱抗黑穗病品种SX44B为材料,采用同源克隆法获得一个高粱SbRPM1基因。生物信息学分析结果显示:该基因的cDNA全长2 802 bp,预测共编码933个氨基酸。该基因编码蛋白的理论分子质量为106.1 ku,等电点为7.11,为亲水性蛋白质;该蛋白无跨膜结构,亚细胞定位在细胞质中。保守结构域分析显示,SbRPM1蛋白含有RX-CC-like、NB-ARC和LRR结构域,属于NLRs受体蛋白家族中的CNL类蛋白。系统发育关系分析表明,SbRPM1蛋白与南荻RPM1蛋白亲缘关系最近。通过实时荧光定量PCR技术检测SbRPM1基因的表达模式,结果表明,该基因在叶和花序中表达量较高,其次是根,在茎中表达量最低。在接种丝黑穗病原菌后24~72 h抗病品种中SbRPM1基因的表达显著上调,表明该基因受病原菌诱导表达,在高粱抗病反应中扮演着重要角色。首次在高粱中克隆得到SbRPM1基因CDS序列,解析了该基因的结构、性质与表达的特征。

摘要:四倍体小麦是普通小麦的祖先种,也是重要的粮食作物。发掘四倍体小麦抗病种质并鉴定其携带的抗病基因,旨在为小麦新品种选育提供新抗源。TDI-1是栽培二粒小麦,在多年的田间种植过程中表现出对白粉病免疫的表型。为了确定TDI-1携带的抗病基因,为小麦白粉病抗性遗传提供理论依据,首先将其与表现为感白粉病表型的硬粒小麦TDU-1进行杂交并构建了遗传群体,然后对亲本及其杂交F₁、F₂、F_2:3群体进行了白粉菌小种E09接种试验和抗病性分析,最后利用混合分离群体分析法(BSA)对抗白粉病基因进行了定位。结果表明,TDI-1在苗期对E09表现为感病,在成株期对E09表现为抗病;TDI-1和TDU-1的F₁植株在成株期对E09表现为抗病;F₂群体中,表现为抗病的单株数和感病的单株数的比例符合3:1($χ_{3:1}^{2}$= 0.11,P=0.74);F_2:3家系中,纯合抗病、抗病性分离、纯合感病的家系数目之比符合1:2:1($χ_{1:2:1}^{2}$= 0.47,P=0.79),表明TDI-1成株期白粉病抗性由1个显性基因控制,暂将其命名为PmTDI-1。对TDI-1和TDU-1及其杂交后代F₂群体进行分子标记筛选,发现4个位于2A染色体短臂上的分子标记Xwmc407、NRM-2AS29、NRM-2AS45和NRM-2AS84与PmTDI-1紧密连锁,其中,NRM-2AS45和NRM-2AS84位于两侧,遗传距离分别为1.8,4.6 cM。由此,将成株期抗白粉病基因PmTDI-1初步定位于2A染色体短臂上。研究结果显示,从四倍体小麦TDI-1中鉴定到1个新的显性成株抗白粉病基因PmTDI-1。

为研究TaHis基因对小麦赤霉病的抗性机制,首先克隆了TaHis基因全长编码序列,构建了pGBKT7-TaHis诱饵载体,通过酵母双杂交技术对赤霉病诱导的小麦穗部酵母双杂交文库进行筛选,获得互作蛋白后利用酵母双杂交技术和双分子荧光互补技术验证蛋白质之间的互作,并利用RT-qPCR技术对抗感小麦材料中TaHis互作蛋白的赤霉病诱导表达模式进行分析。结果表明,成功构建了pGBKT7-TaHis诱饵载体,经过酵母双杂交文库筛选后,在四缺选择培养基(SD/-Leu/-Trp/-His/-Ade)上获得了18个酵母单克隆。测序后Blast分析发现,共获得5个可能与TaHis互作的蛋白质,其中在6个酵母单克隆中均鉴定到富含丝氨酸/精氨酸的mRNA剪接因子SR45a类蛋白(TaSR)编码序列。以百农4299为材料,克隆了TaSR基因全长编码区,并构建了pGADT7-TaSR载体,酵母双杂交试验表明,pGADT7-TaSR和pGBKT7-TaHis共转化的酵母细胞在四缺培养基(SD/-Leu/-Trp/-His/-Ade/X-α-Gal/AbA)上可以生长且显蓝色,表明TaSR和TaHis在酵母细胞中直接互作;构建了YC-TaHis、YN-TaSR载体,双分子荧光互补试验表明,共转化YC-TaHis和YN-TaSR的烟草细胞中产生强烈荧光信号,进一步验证了TaSR与TaHis的互作。RT-qPCR分析显示,TaSR 在抗性材料百农4299中受赤霉病诱导后上调表达,在感病材料百农607中受赤霉病诱导后下调表达,表明TaSR基因表达量与小麦赤霉病抗性呈正相关。综上,小麦TaSR与TaHis存在相互作用,且TaSR基因表达量与小麦赤霉病抗性呈正相关。

丝裂原活化蛋白激酶(MAPKK或MKK)在植物的生长发育与胁迫响应等过程中发挥着重要作用。为了鉴定谷子抗锈病相关的MAPKK基因,为谷子抗锈病机理研究和抗病分子育种提供候选基因,运用生物信息学方法在全基因组水平上鉴定与分析谷子MAPKK基因家族成员(SiMKKs);利用Real-time PCR技术,检测谷子SiMKKs基因在不同组织部位、谷锈菌胁迫与外源激素处理下的表达水平;利用Excel、MEGA、DnaSP分析70份重测序谷子品种中抗锈病相关SiMKKs基因的变异位点和单倍型,结合表型鉴定抗锈病优异单倍型。结果表明,共鉴定到10个谷子SiMKKs成员,分布于5条染色体上,外显子数1~11个不等,编码蛋白质含有331~523个氨基酸;谷子MAPKK基因家族成员分为4组,A和B组包含S/T-X₅-S/T基序,C和D组的SiMKKs不具有该基序,保守基序Motif 1~Motif 6 存在于所有SiMKKs蛋白中;每个SiMKK基因的启动子区均含有防御和胁迫响应、茉莉酸甲酯(MeJA)响应、水杨酸(SA)响应、激发子激活等1~3种生物胁迫相关顺式作用元件。除SiMKK10-1和SiMKK10-3未检测到表达信号外,其余8个SiMKKs基因在不同组织部位、谷锈菌侵染、SA和MeJA处理下均有不同程度的表达。SiMKK4、SiMKK5和SiMKK10-2在孕穗期的根中表达量较高,SiMKK6-1和SiMKK6-2在孕穗期茎中表达量较高;SiMKK4在接种后24 h的抗病反应中上调表达、感病反应中下调表达,其表达与抗病相关;SiMKK4在SA和MeJA激素处理后的16 h内上调表达,之后下调表达,且在SA处理过程中表现持续的表达变化,其余7个SiMKKs基因在SA和MeJA处理中的表达模式也基本一致。SiMKK4基因编码区共分为7个单倍型,Hap_1为优势单倍型,未发现抗病关键变异位点。综上所述,谷子SiMKK4的表达与抗锈病相关,其可能通过SA和MeJA信号途径参与谷子的早期抗病反应。

旨为揭示不同品种以及不同器官中内生菌的多样性特征,初步明确内生菌群落结构与宿主品种、器官类型及病害抗感特性的相关性。选取抗赤霉病的冀谷22、红谷、陇谷11号和感赤霉病的小青谷、石榴子、嫩选16号共6个谷子品种,取其根、茎、叶片、叶鞘、成熟谷穗,提取DNA,针对16S rDNA V3—V4区域,进行PCR扩增,基于Miseq高通量测序平台,对样本进行微生物多样性分析。感病品种与抗病品种内生菌物种组成具有明显差异。供试样本在门水平上的优势种群为变形菌门和放线菌门,其次是拟杆菌门和厚壁菌门,粘菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门和梭杆菌门相对丰度较低。Alpha多样性分析表明,抗病品种的叶片、成熟谷穗群落丰富度较高,叶片、根、成熟谷穗多样性较高;而感病品种则是根和茎群落丰富度较高,茎和叶鞘多样性相对较高;PCoA分析则表明,器官类型比品种对内生菌群落结构影响更大。物种组成分析表明,谷子内生菌群的多样性受到不同品种及不同器官的影响,不同器官所含内生菌种类相差较大。感病品种小青谷、石榴子和嫩选16与抗病品种冀谷22、红谷和陇谷11的内生菌群多样性差异较大,抗病品种在叶鞘时期都具有NB1-j菌门,成熟谷穗都具有酸杆菌门。明确了不同品种、不同器官对谷子内生菌的多样性及群落结构的影响,器官类型比品种对内生菌群落结构的影响更大。

元江普通野生稻(YP)是一份被称为植物活化石的种质材料,同时其也拥有大量的抗性(R)基因。为了鉴定元江普通野生稻中含有目前已知白叶枯病抗性基因的情况。以元江普通野生稻(YP)、渗入系后代(L214和G252)及其渗入系的感病亲本栽培稻合系35(HX35)作为供试材料,通过接菌鉴定、功能标记检测、同源克隆和实时荧光定量(qRT-PCR)技术来评价这些材料对白叶枯病的抗性。接菌鉴定结果显示,YP、L214、G252对供试的白叶枯病菌C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C9和PXO99^A均表现出抗性且病斑长度均小于2 cm;而HX35对供试的9个菌株均表现出感病且病斑长度远超6 cm。白叶枯病抗性基因检测结果显示,YP中含有Xa10的同源基因,HX35、L214、G252中含有xa23的感病同源基因。序列比对结果显示,抗病基因Xa10与YP中的Xa10启动子的效应因子结合元件(EBE_AvrXa10)区域序列差异较大。同样地,隐性感病基因xa23与HX35、L214和G252中的xa23启动子的效应因子结合元件(EBE_AvrXa23)区域序列一致。qRT-PCR结果显示,在接了PXO99^A菌株24 h后,YP、HX35、L214和G252中的免疫反应被激活,而YP中的Xa10和HX35、L214、G252中的xa23在所有处理时间段内均未被诱导表达。由此推测,YP、L214和G252中可能含有新的抗白叶枯病基因。

碱性亮氨酸拉链(bZIP)转录因子蛋白是一类在动植物及微生物中结构和功能均具有保守性的转录调控因子,为明确bZIP类转录因子在植物病原真菌中的功能及作用机制,进一步确定其与病菌生长发育及致病性的关系,以玉米大斑病菌01-23为材料克隆得到了StbZIP9基因(GenBank No.XM_008032179.1),StbZIP9是bZIP转录因子家族成员之一,对该基因结构及蛋白质特征分析结果显示,该基因全长788 bp,开放阅读框为726 bp,编码241个氨基酸,其编码蛋白包含一个在真菌中高度保守的同源结构域BRLZ;对该基因在病菌生长发育及侵染宿主过程的RNA-seq数据进行分析,发现与菌丝时期相比StbZIP9在附着胞和芽管时期表达量升高2~4倍,在侵染玉米叶片24,72 h后基因表达从无到有且持续升高,表明StbZIP9与附着胞发育和芽管形成相关联并在病菌侵染宿主细胞过程中发挥重要作用;进一步利用生物信息学技术预测其结合保守基序及调控的靶基因,结合基序为NNTWACGTNN,包含bZIP 类转录因子识别核心序列ACGT,并根据该序列预测StbZIP9下游靶基因,结合RNA-seq数据进行表达模式分析得到4个下游靶基因(JGI数据库中蛋白ID分别为:132893、163024、162798、40466),功能注释表明,其参与细胞壁组分聚合和运输、侵染宿主、孢子休眠等多种生物过程。为进一步阐明其在参与调控病菌侵染寄主的分子机制提供依据。

为了探索安农1687对于条锈病抗性的遗传机理,加快安农1687小麦品种的推广,为小麦新品种的遗传改良提供参考,减少小麦条锈病对于我国小麦生产安全的危害。以安农1687(安农1687是由安农1106和西农822杂交选育的,对生理小种CYR32具有抗性的半冬性小麦品种)及其姊妹系和亲本为材料,利用小麦55K SNP芯片对安农1687及其双亲和姊妹系进行全基因组扫描,同时利用生理小种CYR32对安农1687及其姊妹系进行接种和鉴定,并在成株期统计其抗条锈病等级,综合接种及田间表型对小麦品系抗条锈病进行评价。鉴定结果显示,安农1687和5个姊妹系(系24、系26、系28、系30、系140)为中抗条锈病,2个姊妹系(系89和系105)为中感条锈病。利用安农1687及其姊妹系间的基因组差异信息,发现差异SNP位点富集在2A染色体短臂的31~37 Mb区间上,说明2A染色体可能存在某个或某些基因导致了这样的结果。为了排除其他抗条锈病基因的干扰,对亲本及2A染色体上携带的已知抗条锈病基因进行验证,结果表明,安农1687的2A染色体短臂的31~37 Mb区间可能存在一个新抗条锈病基因。通过试验和生物信息学分析发现,该区段内的TraesCS2A01G070700基因在抗感品系的NBS结构域上存在差异,感病品系中NBS结构域有3个错义突变,推测TraesCS2A01G070700为安农1687抗条锈病候选基因。

了解谷瘟病菌的变异和群体结构,为今后谷瘟病的防控及抗病品种培育提供理论基础。利用20对SRAP引物对采自9个地区的90株谷瘟病菌菌株进行了PCR扩增,利用NTSYSpc-2.11F软件进行数据分析,通过UPGMA方法进行聚类分析,使用Popgene 32软件计算各群体间的遗传多样性指数。结果表明,筛选出了8对引物用于谷瘟病菌的遗传多态性分析,这8对引物共扩增出条带1 728条,其中多态性条带1 492条,多态性比率为86.34%。对90株病原菌进行聚类分析,其相似性系数为0.77~0.85,遗传相似系数为0.802时,所有菌株被分为27个遗传宗谱(L1~L27),其中L1为绝对优势组群,共包含来自山东、河北、山西、河南和辽宁5个省份的29株谷瘟病菌,占总菌株的32.22%。经Popgene 32软件计算分析,9个地区谷瘟病菌的Nei's遗传多样性指数(H)为0.141 4~0.288 1,Shannon's信息指数(I)为0.196 0~0.441 6,河北夏谷区Nei's遗传多样性指数和Shannon's信息指数最高,遗传多样性最丰富,而海南群体遗传多样性最低。对不同地区谷瘟病菌群体比较,吉林群体与海南群体的遗传亲缘关系最远,而河北夏谷区群体与河北春谷区群体的亲缘关系最近。可见,不同地区谷瘟病菌的遗传多样性丰富,各菌株间存在遗传分化,但菌株间的遗传分化与地理来源无明显相关性。