RNA-Seq分析MaYVV诱导黄脉症状形成的寄主基因及其功能研究

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赛葵黄脉病毒(Malvastrum yellow vein virus,MaYVV)属于双生病毒科(Geminiviridae)菜豆金色花叶病毒属(Begomovirus)的成员,该病毒首次于2003年在云南省红河地区表现黄脉症状的赛葵上分离,在我国云南、四川等地赛葵、胜红蓟等杂草上广泛发生。MaYVV为单组份双生病毒,并伴随有β卫星分子(Malvastrum yellow vein betasatellite,MaYVB)。MaYVV与MaYVB共同侵染本氏烟(Nicotiana benthamiana)可引起黄脉、曲叶的症状,但其症状形成机理仍不清楚。  为鉴定与寄主黄脉症状形成相关的寄主基因,本研究对MaYVV/MaYVB侵染的本氏烟和未接种对照植株进行转录组测序(RNA-Seq),分析病毒侵染后寄主内源基因的差异表达。对差异表达基因进行GO富集分析发现,病毒侵染后,本氏烟体内差异表达基因显著富集到136个terms,主要在tRNA代谢、光系统Ⅱ析氧复合体等过程显著富集;KEGG通路富集分析发现,病毒侵染后,卟啉与叶绿素代谢、光合作用等通路发生显著改变,从而推断卟啉与叶绿素代谢和光合作用通路的异常变化可能与MaYVV/MaYVB引起本氏烟黄脉症状形成相关。综合以上分析,本研究筛选了12条与叶绿体形成或叶绿素合成相关的差异表达基因:Nb-0004、Nb-1010、Nb-2010、Nb-4002、Nb-1015、Nb-3001、Nb-2006、Nb-0001、Nb-2021、Nb-9016、Nb-1009、Nb-0013(根据候选基因ID命名,根据RNA-Seq数据,其中除Nb-0013在MaYVV/MaYVB时上调表达外,其余基因均下调表达),以实时荧光定量PCR(Real-time quantitativepolymerase chain reaction )方法验证其差异表达并对其功能展开了进一步研究。  本研究将筛选的12条候选基因序列 GenBank 与本氏烟基因库(https://solgenomics.net/organism/Nicotiana_benthamiana/genome)进行BLAST比对分析发现,候选基因Nb-0001是ChiI基因、Nb-0004是Ftshil1基因、Nb-1015、Nb-1010是Ftshil4基因、Nb-3001、Nb-2010是Ftshil2基因、Nb-0013是cdc-48.2基因、Nb-9016是LOC107794662基因、Nb-2021和Nb-1009是ClpB3基因,Nb-4002是ChiD基因、Nb-2006是烟草RuvBL2基因。然后,以烟草脆裂病毒(Tabacco rattle virus,TRV)介导的基因沉默技术对筛选的这12条候选基因进行功能验证。结果表明,14 dpi(Day post inoculation,dpi)时,有8条候选基因(Nb-0004、Nb-1010、Nb-2010、Nb-4002、Nb-1015、Nb-3001,Nb-2006、Nb-0001)在接种本氏烟中下调表达,本氏烟表现出白化、皱缩、畸形和叶缘上卷等症状;而另外4条候选基因(Nb-9016、Nb-0013、Nb-2021、Nb-1009)下调表达后本氏烟没有明显表型变化,与阴性对照相似。以上结果表明,Nb-0004等8条候选基因与本氏烟的叶色形成相关。  为明确这12条候选基因对本氏烟叶绿素形成和叶绿体结构的影响,本研究以丙酮法测定了候选基因下调表达后本氏烟叶绿素的含量变化,并对叶绿体超微结构进行了电镜观察。结果显示,与本氏烟白化症状形成相关的8条候选基因(上述Nb-0004等)在下调表达后均导致本氏烟叶绿素含量降低,观察到叶绿体发育不良,其中候选基因Nb-0004和Nb-0001下调表达导致叶绿素含量分别下降91.21%、91.46%,对叶绿素和叶绿体的形成造成严重的影响;而Nb-9016、Nb-0013、Nb-2021及Nb-1009等基因的下调表达对本氏烟叶绿素和叶绿体的形成未造成明显影响。以上结果表明,下调表达后能引起本氏烟叶色明显变化的这8条候选基因可能直接或间接参与了本氏烟叶绿素合成或叶绿体形成过程,而下调表达后未引起本氏烟表型显著变化的候选基因没有参与本氏烟叶绿体形成或叶绿素合成过程。  为研究Nb-0001、Nb-0004、Nb-1010、Nb-1015、Nb-2006、Nb-2010、Nb-3001、Nb-4002等候选基因对病毒侵染的影响,分别在这8条候选基因下调表达7天后接种MaYVV和MaYVB 的侵染性克隆,15 dpi观察接种本氏烟的表型,并以RT-qPCR 方法分析病毒积累量。结果表明,上述8条候选基因下调表达后接种MaYVV/MaYVB的本氏烟均表现轻微的黄脉症状,候选基因Nb-1015、Nb-0004、Nb-4002、Nb-2010、Nb-0001、Nb-3001、Nb-2006下调表达后接种MaYVV/MaYVB的本氏烟中MaYVV的表达量均显著下调,下调表达Nb-1010 后接种MaYVV/MaYVB的本氏烟内MaYVV表达量显著上调;这8条候选基因下调表达后接种MaYVV/MaYVB的本氏烟中MaYVB的表达量均显著降低。  以上研究表明,MaYVV侵染后调控了本氏烟叶绿体相关基因的表达,下调表达这8条叶绿体相关基因后造成叶绿体含量降低、叶绿体发育不良等现象,进而导致本氏烟表现白化症状,此外,本氏烟叶绿体相关的基因的下调表达导致病毒的积累量降低,因此推测ChiI(Nb-0001)、Ftshil1(Nb-0004)、Ftshil2(Nb-3001、Nb-2010)、Ftshil4(Nb-1015、Nb-1010)、ChiD(Nb-4002)、RuvBL2(Nb-2006)等8条基因可能参与了MaYVV/MaYVB诱导本氏烟黄脉症状形成以及病毒与本氏烟寄主的互作过程。
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