马铃薯抗晚疫病基因的克隆及进化分析

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马铃薯(Solanum tuberosum Linnaeus)为茄科茄属一年生草本植物,是世界上重要的非禾本科作物,有很高的营养价值和经济价值。由致病疫霉(Phytophthora infestans(Mont.) de Bary)引起的马铃薯晚疫病是一种毁灭性的病害,它是马铃薯上最严重的病害之一,每年造成近数十亿美元的损失。利用化学药剂防治晚疫病不仅会影响环境还会使病原菌产生抗药性,而利用抗病基因进行抗病育种是一种既经济有效又可以长期利用的方法。植物基因组学和基因工程技术的发展有利于我们深入研究马铃薯抗晚疫病基因的特点,同时,也利于我们从马铃薯抗晚疫病资源中挖掘具有较高抗性的抗病基因,从而为晚疫病的防治研究提供新的契机。  本研究分析了马铃薯栽培种和野生种中的非小种专化(广谱)抗晚疫病基因Rpi-blb2的LRR区域的多态性和拷贝数,以求了解和推测这个与病原物识别相关的区域在遗传进化方式和表达模式上的特点,从而增加一些马铃薯抗晚疫病基因的信息。同时,我们还利用生物信息学的相关方法在马铃薯栽培种基因组中预测了NBS类的抗病基因,在结合一定分析后,我们还希望通过克隆及转基因方法将其导入到马铃薯中,以求较为快捷地鉴定出新的抗晚疫病基因。现得到的主要结果如下:  1)利用PCR的方法从40份马铃薯栽培种材料(包括20份高抗品种、20份高感品种,鉴定菌源为多种生理小种)和7份马铃薯野生种材料中得到了广谱抗晚疫病基因Rpi-blb2 LRR区域的同源核酸序列。通过对这些序列的相似性、多态性位点、核酸多样性指数等参数进行计算,发现Rpi-blb2的LRR区域在核酸水平上变异程度很高,并且有多处热点突变位点;通过对该区域的Ka/Ks值进行估算,发现Rpi-blb2的LRR区域总体是受到纯化选择,即它的功能十分保守,但是LRR区域的不同部位所受到的选择压力不尽相同。同时,我们发现栽培种和野生种在系统发生树上没有出现明显的分化,这也说明了Rpi-blb2是个比较古老的基因。  2)利用系统发生树分析和相似性比对,我们可以发现Rpi-blb2基因的LRR区域在马铃薯高抗栽培种和高感栽培种有十分相似且可以完整翻译成氨基酸的核酸序列,而对这些栽培种晚疫病的抗性鉴定采用了多种生理小种,因此我们比较了它们之间的Rpi-blb2基因的拷贝数,以求了解Rpi-blb2基因的拷贝数是否与马铃薯广谱抗病性有直接的联系。结果发现Rpi-blb2基因的拷贝数没有在抗病和感病品种中出现明显的差异,这说明植物本身的抗病性也可能和抗病基因的转录调控有关系,具体作用方式可能比我们想象的更为复杂。  3) NBS(nucleotide binding site)被认为是植物抗病蛋白中的保守序列,它经常被广泛地用于植物抗病基因的识别和分类。我们利用NBS的HMM(hiddenmarkov model)序列并结合一些生物信息学的相关分析手段,从马铃薯基因组序列(目前已知的部分染色体BAC克隆序列)中预测它们的可能的编码区域及其氨基酸序列,并在此基础上预测出了106条NBS类型的抗病基因。这种方法可以较为快速地分析预测有共同保守区域的未知基因。  4)在结合已克隆出的马铃薯抗晚疫病基因系统进化分析后,我们随机挑选并从高抗晚疫病的马铃薯栽培种中通过PCR的方法克隆了两个候选的抗晚疫病基因,测序分析表明从这个高抗品种中得到的两份核酸序列分别与预测序列有大于90%的相似性。目前,我们已获得抗性转基因再生芽,为后续的转基因植株抗病性鉴定(对它们接种不同致病疫霉的生理小种而来鉴定预测的基因是否为新的抗晚疫病基因)奠定了基础。
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