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小麦根腐病是一种难以防治的小麦土传病害。 TaMYB86是一个小麦中受根腐病菌诱导表达的MYB编码基因。本文构建了 TaMYB86的过表达转基因载体pUbi:MYC-TaMYB86, 利用基因枪介导法将其转入推广小麦品种扬麦16。对转 TaMYB86基因小麦T0-T3代植株进行分子特征分析和抗病鉴定。PCR检测结果表明, 外源 TaMYB86已转入3个转基因小麦株系中; qRT-PCR结果显示, TaMYB86在3个转基因小麦株系中的表达量显著高于在未转基因扬麦16中的表达量, 约为未转基因扬麦16中的5~6倍, 表明 TaMYB86可在转基因小麦中过量转录; Western杂交结果表明, 引入的 TaMYB86可在上述3个转基因小麦株系中翻译表达。对转 TaMYB86基因小麦与未转基因扬麦16进行根腐病菌接种与抗病鉴定表明, 3个转 TaMYB86基因小麦株系在T1~T3代的根腐病病情指数分别为31.75、50.00、45.00; 37.75、37.50、38.50; 41.75、31.25、37.50; 在3次鉴定中未转基因扬麦16的根腐病病情指数分别为75.04、54.17、65.38, 转 TaMYB86基因小麦T1~T3代的根腐病抗性均显著高于未转基因扬麦16 ( P< 0.01)。与未转基因扬麦16相比, 转 TaMYB86基因小麦中3个下游防卫基因( PR10、 PR17c和 Chit1)的转录水平也显著上调。以上结果说明, TaMYB86过表达可显著增强转基因小麦的根腐病抗性, 在小麦防御根腐病过程中起正向调控作用。
Wheat common root rot, mainly caused by Bipolaris sorokiniana, is a difficultly prevent soil-borne disease of wheat ( Triticum aestivum L.) worldwide. TaMYB86, a B. sorokiniana-induced wheat MYB gene ,encodes a MYB transcription factor. We constructed the TaMYB86 overexpression vector pUbi:MYC-TaMYB86 and introduced TaMYB86 into Yangmai 16 via the particle bombardment. The TaMYB86 transgenic wheat lines on generations of T0-T3 were underwent by molecular characteristics analysis and disease resistance evaluation. The PCR and quantitative RT-PCR results showed that the alien TaMYB86was introduced into three transgenic wheat lines, and the relative transcriptional level of TaMYB86was apparently higher in transgenic wheat lines than in non-transformed Yangmai 16. As Western blot results presented, the introduced MYC-TaMYB86 gene was translated into the MYC-TaMYB86 protein in the three overexpressing transgenic lines, but not in non-transformed Yangmai 16. The infection types and disease indexes of three TaMYB86 transgenic wheat lines were significantly lower than those of non-transformation Yangmai 16 ( t-test, P< 0.01). The transcript levels of 3 wheat defense genes ( PR10, PR17c, and Chit1) were significantly elevated in three transgenic wheat lines than in the non-transformed Yangmai 16. These results indicate that overexpression of TaMYB86 enhances significantly resistance to B. sorokiniana in transgenic wheat lines and TaMYB86 plays a positive role in defense response to B. sorokiniana.
小麦根腐病是一种世界性的、难以防治的小麦土传病害[1], 其病原菌为平脐蠕孢菌Bipolaris sorokiniana (有性态为禾旋孢腔菌Cochliobolus sativus)。据2015年全国农技推广中心报道, 我国华北、黄淮和东北麦区均发现小麦根腐病, 在黄淮麦区和华北南部麦区危害呈上升态势。小麦根腐病是全生育期典型的多阶段性病害, 从苗期到抽穗结实期都能发生, 小麦种子、幼芽、幼苗、成株根系、叶片、茎和穗都可受害, 一般可造成产量损失10%~30%, 严重地块减产超过50% [2, 3]。目前, 生产上大面积推广品种和育种材料对根腐病的抗性普遍较差, 常规抗病育种进展缓慢, 主要原因是抗性鉴定和单株选择困难, 缺乏高抗根腐病材料, 加之抗性遗传机制复杂[3]。因此, 发掘、克隆抗根腐病基因对丰富小麦抗病资源有重要的意义, 同时开展相关基因的功能研究, 开发可用于辅助育种的分子标记, 对抗根腐病小麦育种具有指导作用。
植物MYB转录因子是一个大家族。MYB转录因子含有高度保守的MYB结构域, 具有结合靶标基因启动子的作用。一个MYB结构域含有50~52个氨基酸残基, 能形成3个α 螺旋, 并且最终能形成螺旋-转角-螺旋(helix-turn-helix, HTH)的高级结构。每个MYB结构域重复的第2和第3个α 螺旋能直接与目标DNA结合, 被称为“ 识别螺旋” [4]。根据结构域重复单位的数目和位置可将MYB分为1R-MYB (MYB- related)、2R-MYB (R2R3-MYB)、3R-MYB和4R-MYB共4个亚族, 以R2R3-MYB的数量最多[4]。MYB转录因子参与许多植物生长发育的过程[5, 6, 7, 8]及非生物逆境防御反应[9, 10, 11, 12]。一些MYB转录因子也参与植物抗病反应, 例如拟南芥R2R3-MYB转录因子BOTRYTIS SUSCEPTIBLE1 (BOS1)参与寄主对灰葡萄孢菌(Botrytis cinerea)和甘蓝链格孢菌(Alternaria brassicicola)等病原菌的防御反应, 该基因突变体bos1对这些病原菌的敏感性增加[13]。过表达拟南芥R2R3-MYB转录因子基因AtMYB96能增强寄主的耐旱能力[14]和对假单胞杆菌(Pseudomonas syringae)的抗性[15]。大麦MYB转录因子基因HvMYB6参与大麦抗白粉病反应, 该基因沉默后使大麦对白粉病菌(Blumeria graminis)的敏感性增加, 而该基因过表达则增强转基因大麦的抗病性[16]。本实验室克隆了中间偃麦草(Thinopyrum intermedium)的R2R3-MYB基因TiMYB2R-1, 该基因超强表达后显著提高了转基因小麦对全蚀病菌(Gaeumannomyces graminisvar.tritici)的抗性[17]。Al-Attala等[18]通过沉默TaMYB4基因(小麦MYB转录因子基因), 降低了小麦植株对条锈病的抗性, 证实TaMYB4是抗条锈病反应的正向调控因子。Zhang等[19]通过VIGS (virus-induced gene silencing)沉默川农19中的TaLHY基因, 使该小麦品种对条锈病的抗性降低, 而且还无法完成抽穗, 表明TaLHY不仅控制小麦抽穗, 而且参与对条锈病的防御反应。
本实验室通过基因芯片分析, 发现一个响应纹枯病菌和根腐病菌侵染的MYB基因TaMYB86(GenBank登录号为KM066946)。为解析TaMYB86的抗病功能, 我们构建了TaMYB86过表达的转基因载体pUbi:MYC-TaMYB86, 用基因枪介导法将其转入小麦商业品种扬麦16中, 创制了TaMYB86过表达的转基因小麦, 并对其T1至T3代进行分子检测与抗病性鉴定, 获得了抗根腐病的转基因小麦新种质。
转基因受体品种扬麦16由江苏里下河农业科学院研究所程顺和课题组提供, 小麦根腐病菌ACC30209由中国农业科学院作物科学研究所李洪杰研究员提供, 含有c-MYC标签的转基因载体质粒pAHC25-MYC由本实验室对转基因载体质粒pAHC25改造和保存[20, 21]。
根据TaMYB86 (GenBank登录号为KM066946)的ORF序列, 设计1对特异引物(TaMYB86-P25-F: (5′ - ATACTAGTATGGGACGTCCGTCGTCC-3′ , 下画线标示SpeI识别位点; TaMYB86-P25-R: 5′ -TCAGAA GTATGGTTCCAATT-3′ ), 利用PrimeSTAR HS DNA Polymerase和PCR扩增法, 在ORF完整序列上游引入SpeI 酶切位点, 然后用Spe I酶切扩增产物, 回收目的片段; 再用SpeI、EcoI CRI (与SacI识别酶切序列一致, 为同裂酶, 但EcoI CRI酶切后产生平末端)酶切单子叶植物表达载体pAHC25-MYC, 回收载体骨架, 并连接, 构建成TaMYB86过表达转化载体pUbi:MYC-TaMYB86 (图1)。通过测序分析确定构建的基因表达载体的正确性。在转化载体中, TaMYB86基因上游与6个MYC标签序列相连, 转录由玉米泛素(ubiquitin, Ubi)启动子驱动, 被农杆菌胭脂碱合酶终止子(Agrobacterium tumefaciensnopaline synthase, Tnos)终止, 该载体还含有1个Bar基因表达盒, 可为后续选择利用Bialaphos筛选转化再生植株提供抗性筛选标记。
采用徐惠君等[22]报道的基因枪介导法, 将构建好的pUbi:MYC-TaMYB86载体DNA与适量金粉混合, 转化小麦扬麦16幼胚愈伤组织, 经过分化、Bialaphos筛选、再生、移栽, 获得转基因小麦T0代植株。收获成活株中经PCR检测为阳性植株的种子, 单株播种, 获得T1代植株, 单株播种T1代转基因植株, 依此类推。
在小麦四叶期, 从每个成活植株取1片叶, 采用CTAB法[23]提取基因组DNA。将该基因组DNA作为模板, 利用TaMYB86基因ORF的2条特异序列(TaMYB86-ZJF1: 5′ -TCCGAGAACCTGGGCTAC-3′ ; TaMYB86-ZJF2: 5′ -TTTTGATTTCAACTTGGAATT GG-3′ )分别作为上游引物, 以表达载体Tnos特异序列(Tnos-R: 5′ -AAAACCCATCTCATAAATAACG-3′ )作为下游引物, 对转TaMYB86基因T0~T3代植株进行巢式PCR检测。以转基因质粒pUbi:MYC-TaMYB86为阳性对照, 以未转基因扬麦16的基因组DNA为阴性对照, 预期扩增产物片段为281 bp。第1轮扩增体系含2× EcoTaq PCR SuperMix (全式金公司) 12.5 µ L、上游引物TaMYB86-ZJF1 (10 µ mol L-1)、下游引物Tnos-R (10 µ mol L-1)各1 µ L、模板DNA 100 ng、
补ddH2O至25 µ L。扩增程序为94℃ 5 min; 30× (94℃ 45 s, 61℃ 30 s, 72℃ 30 s), 72℃ 5 min, 16℃保存。然后, 利用引物对TaMYB86-ZJF2/Tnos-R进行第2轮扩增, 反应体系成分和浓度与第1轮扩增基本相同, 仅将上游引物换成TaMYB86-ZJF2, 模板变为第1轮PCR产物的50倍稀释液1.0 μ L。扩增程序为94℃ 5 min; 30× (94℃ 45 s, 48℃ 30 s, 72℃ 30 s), 72℃ 5 min, 16℃保存。扩增产物用1.5%琼脂糖凝胶电泳进行检测, 紫外照相, 记录结果。
用TRIZOL试剂盒(Invitrogen)提取转TaMYB86基因小麦植株接种基部茎部总RNA。用DNase I (大连宝生物)去除基因组DNA。利用FastQuant cDNA第一链合成试剂盒(天根生化)合成第1链cDNA。
以合成的cDNA为模板, 用SuperReal 荧光定量预混试剂增强版(天根生化)在ABI PRISMR 7500实时荧光定量PCR仪(ABI, 美国)上进行qRT-PCR分析。反应体系含2× SuperReal PreMix Plus 12.5 µ L、上游引物(10 µ mol L-1)、下游引物(10 µ mol L-1)各0.75 µ L、cDNA模板5.0 µ L、50× ROX Reference Dye 0.50 µ L, 补RNase-free ddH2O至25 µ L。扩增条件为95℃预变性15 min; 95℃变性10 s, 56℃退火20 s, 72℃延伸32 s, 40个循环。以小麦肌动蛋白基因TaActin (TaAct-A: 5′ -CACTGGAATGGTCAAGGCTG-3′ ; TaAct- B: 5′ -CTCCATGTCATCCCAGTTG-3′ )为内参基因。TaMYB86定量扩增的上游引物为TaMYB86-QF (5′ -TCCGAGAACCTGGGCTACG-3′ ), 下游引物为TaMYB86-QR (5′ -CGAGGAGGCTCTGTTCTTGG-3′ )。用2-Δ Δ Ct法[24]计算目标基因的相对表达量, Δ CT = CTTaMYB86 - CTTaActin, Δ Δ CT = Δ CT试验样品 - Δ CT基准样品。每个反应均有3次独立的重复实验。
转录因子TaMYB86的3个下游防卫基因为PR10(CA613496)、PR17c (TA65181)和Chit1 (CA665185), 其上、下游引物对依次是PR10-Q-F (5′ -CGTGGAG GTAAACGATGAG-3′ ) / PR10-Q-R (5′ -GCTAAGTG TCCGGGGTAAT-3′ )、PR17c-Q-F (5′ -ACGACATCAC GGCGAGGT-3′ ) / PR17c-Q-R (5′ -CACGGGGAAAG AGAGGATGA-3′ )和Chit1-Q-F (5′ -ATGCTCTGGGA CCGATACTT-3′ ) / Chit1-Q-R (5′ -AGCCTCACTTTG TTCTCGTTTG-3′ )。利用上述qRT-PCR方法, 分析TaMYB86过表达转基因小麦株系中这3个防卫基因的转录水平。
以3个转基因株系中抗根腐病的T3代植株接种基部茎秆为材料, 提取总蛋白, 在液氮中充分研磨, 加入蛋白质提取液混匀。提取液含62.5 mmol L-1 Tris-HCl (pH 7.4)、10%甘油、0.1% SDS、2 mmol L-1 Na2EDTA、1 mmol L-1 PMSF (phenyl methane sulfonyl fluoride)和5% β -巯基乙醇。将上述混合液置于冰上10 min后, 4℃下13 400 × g离心20 min, 取含总蛋白的上清液进行SDS-PAGE, 经湿转法转至PVDF膜上, 与稀释900倍的anti-c-MYC 抗体(一抗, 北京全式金生物技术有限公司)杂交, 用TBST将杂交膜洗干净后, 与稀释1000倍的ProteinFind Goat Anti-Mouse IgG(H+L)抗体(二抗, 北京全式金生物技术有限公司)第二次杂交, 化学发光后曝光显影, 检测c-MYC-TaMYB86融合蛋白的表达。
在煮熟的麦粒上培养平脐蠕孢菌, 麦粒表面长满菌丝后待用。在小麦分蘖盛期, 用消毒镊子夹取长满菌丝的麦粒, 放入麦苗根基部, 每株放4~5粒, 保湿3~5 d[25]。
收获时按单株鉴定根腐病严重程度, 按5级标准[25]划分小麦根腐病的病级(infection type, IT), 其中, 0级为全株无病; 1级为叶鞘有少量病斑, 叶鞘病斑面积小于总面积的1/4; 2级为病菌侵入茎秆, 茎杆病斑面积介于1/4~1/2之间; 3级为茎杆病斑面积介于1/2~ 3/4之间; 4级为茎杆病斑面积大于3/4, 茎秆已软腐。
式中, DI为病情指数(disease index), Xi为第i病级的株数。
由图1和测序结果可知, 载体pUbi:MYC- TaMYB86构建成功, TaMYB86的插入位置和方向均正确。
用基因枪介导法将构建好的pUbi:MYC- TaMYB86载体DNA与适量金粉混合轰击小麦扬麦16的幼胚愈伤组织1200块, 经过分化、Bialaphos筛选、再生、移栽, 获得转基因小麦28株T0代植株。利用特异引物的PCR检测表明, 有5株阳性植株, 转化率0.42%。以种子数量足够多的3个抗根腐病的转基因小麦株系(MO86-7、MO86-14和MO86-28) T0~T3代植株叶片基因组DNA作为模板, 利用转基因特异的引物对转基因小麦T0至T3代植株PCR检测表明, 3个转基因株系(MO86-7、MO86-14和MO86-28)中均能检测到外源TaMYB86 (图2), 说明导入的TaMYB86在这3个转基因小麦株系中能稳定遗传。
qRT-PCR分析结果表明, TaMYB86在3个抗根腐病的转基因小麦株系中的表达量均显著高于未转基因扬麦16, 约为未转基因扬麦16的5~6倍(图3), 说明这3个抗根腐病的转基因小麦株系中TaMYB86基因能够超量表达。
利用qRT-PCR方法, 分析接种根腐菌后不同时间点未转基因扬麦16与转基因株系中TaMYB86基因的表达水平。结果表明, 在未转基因扬麦16和过表达转基因小麦中, TaMYB86的转录水平均受根腐菌侵染的诱导; 与未转基因扬麦16相比, 转基因小麦中TaMYB86的转录水平更高, 并且更快达到峰值, 说明过表达的TaMYB86能更快、更强地响应根腐菌的侵染, 从而增强小麦对根腐菌的防御(图4)。
在转基因载体pUbi:MYC-TaMYB86中TaMYB86上游与c-MYC标签序列相连, 便于对转基因植株中翻译表达的c-MYC-TaMYB86融合蛋白进行Western杂交分析。结果显示, 3个转TaMYB86基因小麦株系中蛋白可与anti-c-MYC抗体产生杂交条带, 而未转基因扬麦16 (WT)不能杂交出条带, 表明c-MYC- TaMYB86基因可在3个转基因阳性株系(MO86-7、MO86-14、MO86-28)中翻译表达(图5)。
根腐病抗性鉴定结果(表1)显示, 与未转基因扬麦16 (WT)相比, 3个过表达TaMYB86的转基因小麦株系(MO86-7、MO86-14和MO86-28)的病级极显著降低(t-test; P < 0.01)。T1代过表达株系的平均病级分别为1.27、2.00和1.80, 而未转基因扬麦16平均病级为3.00; T2代过表达株系的平均病级为1.51、1.50和1.54, 而未转基因扬麦16病级为2.17; T3代3个过表达株系的平均病级分别为1.67、1.25和1.50, 而未转基因扬麦16病级为2.62。转TaMYB86基因的过表达株系各代间的病级有所不同, 但每代转基因植株的抗性均极显著高于未转基因扬麦16 (WT), 说明TaMYB86过表达显著增强了转基因小麦对根腐病的抗性。
为了解析TaMYB86在小麦防御根腐病菌侵染的机制, 用qRT-PCR方法分析了接种根腐病菌47 d的TaMYB86过表达株系中3个下游防卫基因(PR10、PR17c和Chit1)的转录水平。这3个基因是PR10、PR17c和Chit1。正如图6所示, 与未转基因扬麦16相比, 3个下游防卫基因在TaMYB86过表达株系中的转录水平显著升高, 且下游基因的表达模式TaMYB86相同。以上结果证明, TaMYB86可以正向调控小麦中下游防卫基因的表达。
植物MYB转录因子在发育及抵抗生物或非生物逆境方面发挥重要作用, 一些植物MYB转录因子受病原物诱导表达, 从而激活下游基因来参与抗病反应。拟南芥AtMYB30受黄单胞菌(Xanthomonas campestrispv. campestris)和假单胞杆菌(Pseudomonas syringae pv.tomato)诱导表达[26], 并参与过敏性反应(hypersensitive response, HR), 过表达AtMYB30增强了寄主的HR表型及对假单胞杆菌的抗性[27]。拟南芥BOS1 (AtMYB108)受灰葡萄孢菌和甘蓝链格孢菌诱导表达, bos1突变体对这些病原菌和渗透胁迫的敏感性增加[13]。本研究中TaMYB86是受根腐病菌诱导表达的R2R3-MYB转录因子基因。
为了解析TaMYB86的防御功能, 本研究构建了该基因的过表达载体pUbi:MYC-TaMYB86, 并将其成功转入小麦商业品种扬麦16中, 获得5个转基因小麦株系。选取其中种子数量多的3个株系进行分子检测和抗病鉴定。结果说明, TaMYB86基因成功转入3个转基因小麦株系中, 并可稳定转录、过量表达, TaMYB86过表达的转基因小麦植株对根腐病抗性显著提高, 说明TaMYB86在小麦防御根腐病过程中起正向调控作用。但是TaMYB86是否是小麦防御根腐病反应所必需的基因, 以及是否有基因冗余现象, 还有待进一步验证。在植物中, 转录因子通过调控下游防卫基因表达来调节抗病防御反应[28, 29, 30, 31, 32]。一些防卫基因过表达可以显著提高转基因植物的抗病性。例如, 过表达大麦几丁质酶基因、萝卜防御素基因RsAFP2或者小麦脂转运蛋白均可增强转基因植物对病原菌的防御[33, 34, 35]。本研究对防卫基因表达的初步分析表明, 与未转基因扬麦16 (受体)相比, 抗根腐病的TaMYB86过表达转基因小麦中3个防卫基因的表达量显著提高, 说明TaMYB86可能通过调控其下游防卫基因的表达来增强根腐病抗性, 但TaMYB86作用的深入机制还有待进一步阐明。
通过基因枪转化、分子检测和抗根腐病鉴定, 创制、筛选出抗根腐病的TaMYB86过表达转基因小麦新种质3份, 证明TaMYB86在小麦防御根腐病过程中起正向调控作用。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.
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