水稻对白叶枯病菌侵染和低氮胁迫反应的共调控因子鉴定

【摘要】在生产实践中，长期过量的氮肥施用会加重由水稻黄单胞菌（Xanthomonasoryzaepv.oryzae，简称Xoo）引起白叶枯病害的发生和为害，表明在水稻病害的发生与氮素使用之间存在着关联性。然而，这种关联性的分子机理尚不清楚。本研究测定了水稻在不同氮素条件下的生长以及对白叶枯病菌侵染的抗性反应，发现与正常氮素(3mMKNO3)条件相比，在低氮(0.3mMKNO3)生长条件下，虽然水稻生物量显著下降，但水稻白叶枯病症状明显减轻，病斑长度缩短，病叶组织中病菌种群量降低。这些结果意味着水稻在抵抗低氮胁迫的同时，也表达出抗病性的增强。鉴此，我们假设在水稻对病菌侵染和低氮胁迫的抗性反应中，可能存在着共同的调控途径及其调控因子。因此，本研究重点从转录和转录后水平层面分析了水稻对Xoo侵染和低氮胁迫的反应，试图揭示水稻这种抗生物和非生物胁迫的反应模式，鉴定出共调控途径及其因子。研究结果如下：1.水稻在Xoo侵染和低氮胁迫反应中的共调控miRNA及其靶基因的鉴定。通过高通量测序，检测了水稻在Xoo侵染和低氮胁迫下miRNA的表达水平。在Xoo侵染胁迫反应中，有61个差异表达的水稻miRNA；在低氮胁迫反应中，有80个差异表达的水稻miRNA；在两种组合胁迫反应中，有72个差异表达的水稻miRNA，其中有28个通过了荧光定量PCR分析验证。在两种胁迫反应共调控miRNA中，miR5076、miR5072、miR156和miR1320均上调表达，而miR812、miR169、miR396和miR2869均下调表达。miR398和miR399在Xoo侵染反应中上调表达、在低氮胁迫反应中下调表达；而miR5540则在Xoo侵染反应中下调表达、在低氮胁迫侵染反应中上调表达。对这些miRNA上游启动子区域进行分析，发现它们存在与抗病和抗逆相关的顺式作用元件，如富含TC重复结构和W-box等。对miRNA的靶基因进行了预测和验证。2.水稻对Xoo侵染和低氮胁迫的转录组反应的分析及其共调控因子的鉴定。通过数字表达谱（DGE）测序，比较分析了在Xoo侵染、或低氮胁迫、或两种胁迫组合处理的水稻转录组的反应，鉴定了248个在两种胁迫条件下共表达的差异基因（DEGs）。这些共调控基因参与了植物免疫反应、氮素代谢、氧化还原反应、蛋白质修饰以及信号传导途径等。对40个随机选择的DEGs表达进行荧光定量PCR测定，发现所有这些基因的表达模式和DGE测序结果一致。对6个DEGs在Xoo侵染和低氮胁迫条件下、不同时间的表达模式进行分析，发现在两种胁迫组合处理中，低氮胁迫是水稻基因表达发生变化的主要因素。总之，本研究通过高通量测序和荧光定量PCR分析，鉴定了一些在Xoo侵染和低氮胁迫条件中起调控作用的水稻miRNA和基因，这些共调控因子可能在水稻多种不同的生物学过程中发挥功能。本研究结果为水稻对生物和非生物胁迫的共调控机制的解析提供了科学依据。需要进一步通过过量表达和基因沉默的转基因途径，对这些水稻共调控因子进行功能验证，阐明它们在水稻抗病反应和氮素高效利用中的作用。
【作者】余超；
【导师】何晨阳；
【作者基本信息】中国农业科学院，植物病理学，2014，博士
【关键词】病原菌侵染；低氮胁迫；miRNA；差异表达基因；共调控；

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