吳艷琴 王金鑫 李雪 高海峰 王鳳濤 馮晶 藺瑞明 徐世昌
(1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所, 植物病蟲害生物學(xué)國家重點實驗室, 北京 100193;
2. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所, 烏魯木齊 830091)
摘要
為利用HIGS技術(shù)研究條銹菌耐高溫脅迫相關(guān)基因的功能,需要構(gòu)建小麥品種與條銹菌及大麥條紋花葉病毒Barley stripe mosaic virus (BSMV)親和互作體系。本研究選用20個常溫下(10℃)高感條銹病的小麥品種和22個耐高溫條銹菌菌株,進(jìn)行高溫(21℃)條件下接種親和性分析,發(fā)現(xiàn)11個品種高感條銹病、3個菌株耐高溫性穩(wěn)定且毒性譜較寬。在此基礎(chǔ)上,利用含有小麥TaPDS基因片段的重組BSMV侵染上述候選小麥品種,確定‘Local Red等6個品種與BSMV親和程度符合試驗要求。篩選出小麥品種‘Local Red與菌株153352、153234等組成的最佳互作組合,適合利用BSMV Agro/LIC方法開展小麥條銹菌耐高溫相關(guān)基因功能的研究。
關(guān)鍵詞
小麥條銹??; 基因干涉; 大麥條紋花葉病毒; 耐高溫性; 互作體系
中圖分類號:
S435.121.42, Q933
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI: 10.16688/j.zwbh.2017103
Development of an interactive system for functional analysis of
hightemperature tolerancerelated genes of wheat stripe
rust pathogen by using BSMV Agro/LIC
WU Yanqin1, WANG Jinxin1, LI Xue1, GAO Haifeng2,
WANG Fengtao1, FENG Jing1, LIN Ruiming1, XU Shichang1
(1.State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests, Institute of Plant
Protection,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China; 2. Institute of
Plant Protection,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences, Urumqi 830091, China)
Abstract
In order to characterize the biological functions of the hightemperature tolerancerelated genes of Puccinia striiformis f.sp. tritici (Pst) by using HIGS method, it is necessary to develop a compatible interactive system containing wheat variety and Pst pathogen and Barley stripe mosaic virus (BSMV). In this study, 20 varieties (highly susceptible when inoculated at 10℃) were inoculated with 22 hightemperaturetolerant isolates at 21℃ and their compatibility levels were evaluated, and we found 11 highly susceptible varieties among the tested ones and 3 isolates with a highly stable level of hightemperature tolerance and a wider virulence spectrum. Based on the results, 6 varieties such as ‘Local Red were compatible with the BSMV strain containing a TaPDS fragment. Therefore, the combinations of the variety ‘Local Red with the isolates like 153352 and 153234 were the best interactive systems for characterizing high temperaturetolerancerelated genes of Pst with BSMV Agro/LIC.
Key words
wheat stripe rust; gene interference; Barley stripe mosaic virus; hightemperature tolerance; interactive system
條銹病是小麥上重要的氣傳葉部病害之一,在中國曾發(fā)生4次大規(guī)模暴發(fā)流行,造成小麥嚴(yán)重減產(chǎn)[1]。該病害在其他小麥生產(chǎn)國也造成危害,嚴(yán)重威脅著世界糧食安全供給。一般而言,小麥條銹病屬于低溫真菌病害,冷涼潮濕的環(huán)境條件適宜病原菌夏孢子萌發(fā)和侵染[2]。然而近年來在小麥條銹菌越夏區(qū)調(diào)查發(fā)現(xiàn),條銹菌越夏海拔下限呈逐漸下降趨勢,如在云南、川西北和甘肅隴南等地越夏海拔下降50~ 300 m[3]。隨著全球氣候變暖,在其他國家和地區(qū)也出現(xiàn)小麥條銹菌耐受高溫脅迫能力增強的現(xiàn)象,如Milus等發(fā)現(xiàn)美國2000年后新出現(xiàn)的菌株比2000年以前出現(xiàn)的菌株更適應(yīng)高溫環(huán)境且具有更強的侵染力[4]。Hovmller等發(fā)現(xiàn)2000年之后出現(xiàn)的2個侵染性更強且適應(yīng)高溫脅迫的條銹菌菌株在不到3年的時間里在北美、澳大利亞以及歐洲范圍內(nèi)快速傳播[5]。因此,小麥條銹菌耐高溫性是世界性問題,將對病害發(fā)生流行、病原菌的毒性變異、寄主抗性調(diào)控以及防控策略制定等產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。然而,由于小麥條銹菌是專性寄生真菌且侵染周期長,目前還缺乏遺傳轉(zhuǎn)化的技術(shù)途徑,急需建立一個條銹菌基因功能分析的技術(shù)體系,促進(jìn)小麥條銹菌與寄主互作過程中基因功能的研究進(jìn)程。近年來,基于病毒誘導(dǎo)的基因沉默(virus induced gene silencing,VIGS)發(fā)展起來的寄主誘導(dǎo)的基因沉默(host induced gene silencing,HIGS)技術(shù),利用RNAi基因干涉原理直接針對病原真菌基因,可以通過吸器等特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)入病原菌細(xì)胞內(nèi)沉默目的基因,明確專性寄生真菌的基因功能。Yin等利用大麥條紋花葉病毒Barley stripe mosaic virus(BSMV)介導(dǎo)的HIGS方法,首先實現(xiàn)了針對小麥條銹菌的相關(guān)基因的研究[6]。然而,目前適合單子葉植物的病毒載體只有雀麥花葉病毒Brome mosaic virus(BMV)與BSMV,且對小麥宿主的基因沉默效果比較穩(wěn)定的只有BSMV載體[78]。因而,選用已有的BSMV載體,構(gòu)建適合研究條銹菌耐高溫相關(guān)基因功能的技術(shù)體系尤為重要。在此技術(shù)體系中,不僅要獲得耐高溫性穩(wěn)定且毒性較強的條銹菌菌株,還需要篩選獲得相應(yīng)的不具有溫敏抗性的高感條銹病品種,同時適合BSMV侵染后產(chǎn)生溫和的親和反應(yīng)型。另外,選擇的小麥品種在苗期至成株期的不同發(fā)育階段在高溫條件下都是高感條銹病。
本研究從已獲得的22個耐高溫菌株中進(jìn)一步篩選適合于利用HIGS技術(shù)研究耐高溫相關(guān)基因功能研究的菌株;從常溫下對所有菌株都表現(xiàn)為高度感?。ㄇ秩拘?型,嚴(yán)重度100%)的20個品種中篩選出高溫條件下以及不同葉齡時期均具有高感病表型的品種。結(jié)合BSMV侵染情況,構(gòu)建利用HIGS技術(shù)研究條銹菌耐高溫相關(guān)基因功能的互作技術(shù)體系。
1 材料與方法
1.1 材料
供試條銹菌菌株:選用2013年-2016年鑒定篩選獲得的22個來源于不同省份的耐高溫小麥條銹菌菌株(表1)。
供試小麥品種:苗期常規(guī)接種溫度條件(10℃)下高感條銹?。ㄇ秩拘?型,嚴(yán)重度100%)的20個品種(表2)。
病毒載體:pCaBSα、pCaBSβ、pCaBSγ以及含有小麥TaPDS(編碼八氫番茄紅素脫氫酶phytoene desaturase)基因片段的重組病毒載體質(zhì)粒由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李大偉教授惠贈,含有小麥條銹菌Tublin(TUB)基因片段的重組病毒載體質(zhì)粒由本實驗室構(gòu)建。以上質(zhì)粒均轉(zhuǎn)入農(nóng)桿菌EHA105,于-80℃條件下長期保存?zhèn)溆谩?/p>
供試植物材料:無毒本生煙以及供試小麥品種均由本實驗室保存。
供試試劑及溶液:“花寶”營養(yǎng)液;石英砂;硅藻土;LB培養(yǎng)基(蛋白胨10 g,酵母提取物5 g,氯化鈉10 g,去離子水定容至1 L并調(diào)節(jié)pH值為7.0,固體培養(yǎng)基按15 g/L添加瓊脂粉);農(nóng)桿菌懸浮液(每100 mL滅菌水加入1 mL 1 mol/L MES,1 mL 1 mol/L MgCl2,100 μL 150 mol/L MAS);硫酸卡那霉素(100 mg/mL);利福平素(25 mg/mL);磷酸緩沖液(20 mmol/L,pH 7.0)。
1.2 方法
1.2.1 小麥條銹菌擴繁與耐高溫性評價
采用高感病品種‘銘賢169擴繁22個耐高溫條銹菌至產(chǎn)生足量的夏孢子,同一批次依次接種20個供試小麥材料。即將待鑒定的小麥材料播種于直徑為10 cm的塑料花盆中,待出苗9~10 d,選取第一片葉完全展開且長勢一致的幼苗,采用掃抹法接種‘銘賢169擴繁的菌株夏孢子。接種后的小麥材料于(21±0.3)℃黑暗保濕24 h,然后轉(zhuǎn)移至13~16℃的溫室(L∥D=16 h∥8 h,光照強度8 000~12 000 lx)繼續(xù)潛育培養(yǎng)約16 d,調(diào)查發(fā)病嚴(yán)重度。根據(jù)高溫條件下條銹菌在高感病品種‘銘賢169上侵染嚴(yán)重度,將條銹菌耐高溫性水平分為0、1、2、3、4、5共6級(表3)[9]。
1.2.2 BSMV擴繁
1.2.2.1本生煙的培育
將本生煙草Nicotiana benthamiana種子播種于草炭土與蛭石按照3∶1混合的塑料盆中,待煙草長至兩片葉完全展開,移栽至塑料穴盤。育苗間溫度22~25℃,濕度70%,光照4 100 lx左右。期間每隔10 d補充一次“花寶”營養(yǎng)液,健康幼苗長至8~10葉期進(jìn)行去頂,煙齡達(dá)30 d可用于病毒接種試驗。
1.2.2.2 農(nóng)桿菌接種健康煙草
將-80℃保存的農(nóng)桿菌(分別含有BSMV的α、β、γ鏈,其中γ鏈攜帶小麥TaPDS基因片段)在LB固體培養(yǎng)基(含10 mg/mL Kana和50 mg/mL Rif)上劃線,28℃培養(yǎng)至有單菌落生成。用滅菌槍頭挑選單菌落于3 mL LB液體培養(yǎng)基(含10 mg/mL Kana和50 mg/mL Rif),28℃振蕩培養(yǎng)過夜。將過夜培養(yǎng)的單菌落菌液轉(zhuǎn)接至50 mL LB液體培養(yǎng)基(含10 mg/mL Kana和50 mg/mL Rif)繼續(xù)振蕩培養(yǎng)過夜。4℃轉(zhuǎn)速4000 r/min離心10 min收集農(nóng)桿菌,利用農(nóng)桿菌懸浮液調(diào)節(jié)菌液濃度至A600=0.7。將分別含有BSMVα、β、γ鏈的土壤農(nóng)桿菌懸浮液等體積混合,28℃黑暗靜置3 h以上。用1 mL無菌注射器(去掉針頭)注射8~10葉期健康的本生煙草葉片,利用健康煙草為過渡寄主擴繁病毒。每株煙草注射頂端幼嫩的2~3片葉,葉背打孔,全葉注射,黑暗過夜,置于光照周期L∥D=16 h∥8 h,光照強度4 000~5 000 lx,溫度22~25℃,濕度75%的光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)。
1.2.2.3 BSMV接種小麥
剪取注射后5~7 d的已經(jīng)感染病毒的煙草葉片并稱量重量。滅菌的研缽中加入1∶1(W∶V)的20 mmol/L磷酸緩沖液(pH7.0),研磨煙草葉片成漿狀并用無菌紗布過濾。收集濾液,濾液中加入1%的石英砂與硅藻土。蘸取煙草汁液混合物,自下往上單向摩擦接種小麥。遠(yuǎn)距離噴水清洗接種小麥葉片,于20℃恒溫培養(yǎng),光照周期L∥D=16 h∥8 h,濕度70%。觀察供試材料接種攜帶小麥TaPDS cDNA片段的BSMV后其癥狀表現(xiàn),根據(jù)葉片產(chǎn)生的褪綠條紋以及漂白癥狀明確供試小麥品種對BSMV的親和程度。BSMV接種設(shè)置2次獨立生物學(xué)重復(fù),每次生物學(xué)重復(fù)包括2個技術(shù)重復(fù)。
1.2.3 干涉TUB基因后小麥條銹菌耐高溫性分析
當(dāng)健康的本生煙草長至30 d,分別注射BSMV:00(含有BSMV的α、β、γ鏈,其中γ鏈不攜帶任何外源片段)農(nóng)桿菌懸浮液與BSMV:TUB農(nóng)桿菌懸浮液(含有BSMV的α、β、γ鏈,其中γ鏈攜帶小麥條銹菌TUB基因片段)擴繁病毒,5~7 d提取煙草汁液,接種2葉期小麥‘Local Red。接種病毒7 d即可對小麥材料的病毒接種葉進(jìn)行RNA提取驗證是否已經(jīng)感染病毒。接種病毒10~12 d后對確定已感染BSMV:00與BSMV:TUB的小麥幼苗接種耐高溫條銹菌株153234,同時接種未感染病毒的‘Local Red幼苗為空白對照。小麥幼苗接種條銹菌后在高溫條件下(21±0.3)℃黑暗保濕24 h,轉(zhuǎn)移至13~16℃的溫室(L∥D=16 h∥8 h,光照強度8 000~12 000 lx)繼續(xù)潛育培養(yǎng),約16 d觀察發(fā)病嚴(yán)重度以及夏孢子堆密度情況。
2 結(jié)果與分析
2.1 小麥品種在高溫條件下接種條銹菌的嚴(yán)重度鑒定
本研究在高溫(21±0.3)℃條件下接種條銹菌,保濕24 h后繼續(xù)在13~16℃低溫溫室潛育培養(yǎng)約16 d,調(diào)查不同菌株接種供試小麥品種后小麥的發(fā)病嚴(yán)重度,確定各菌株的耐高溫性水平,同時確定小麥品種的感病程度(表4)。經(jīng)過分析比較,有11個小麥品種即‘NJ1194、‘Chinese Spring、‘輝縣紅、‘Thatcher、‘S110、‘Morocco、‘Chancellor、‘寧麥15、‘Local Red、‘揚麥12與‘揚麥18在高溫條件下接種小麥條銹菌菌株后發(fā)病嚴(yán)重度較高,每個品種至少對4個耐高溫條銹菌的嚴(yán)重度達(dá)到3~4級。同時發(fā)現(xiàn),耐高溫菌株153352、1415330、153234、140111與15463耐高溫性水平較高,在高溫接種條件下每個菌株至少引起7個供試品種發(fā)病嚴(yán)重度達(dá)到3~4級。其中,耐高溫菌株153352在小麥品種‘輝縣紅、‘Thatcher、‘CBO37、‘S110、‘Morocco、‘Chancellor、‘寧麥15、‘Local Red、‘揚麥10號、‘揚麥12號以及‘揚麥18號上;153234在‘水源11、‘豐產(chǎn)3號、‘NJ1194、‘Chinese Spring、‘Morocco、‘Chancellor、‘Local Red、‘揚麥10號上;1415330在‘NJ1194、‘Chinese Spring、‘輝縣紅、‘Thatcher、‘揚麥6號、‘CBO37、‘S110、‘揚麥12、‘揚麥18上的發(fā)病嚴(yán)重度達(dá)到3~4級。
2.2 小麥品種對BSMV親和程度分析
取初步篩選獲得的11個小麥品種接種攜帶小麥PDS基因的BSMV:TaPDS,鑒定其對BSMV親和性。接種重組病毒載體14 d左右部分小麥材料開始出現(xiàn)漂白褪綠癥狀,接種20 d左右小麥葉片漂白褪綠癥狀明顯,統(tǒng)計出每個品種顯癥植株占總株數(shù)的百分比(表5)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,小麥品種‘NJ1194、‘Chinese Spring、‘寧麥15、‘Local Red、‘揚麥12以及‘揚麥18對BSMV親和程度適合試驗要求,當(dāng)TaPDS基因被干涉后癥狀明顯(圖1)。
1) a: 漂白褪綠癥狀植株比例=顯癥株數(shù)/總株數(shù)×100%; b: 重復(fù)11,12和重復(fù)21,22分別表示第1次和第2次生物學(xué)重復(fù)的2次技術(shù)重復(fù); c: 括號數(shù)字“2/9”表示“顯癥株數(shù)/測試總株數(shù)”,其他數(shù)據(jù)意義相同; d:“/”表示數(shù)據(jù)缺失。
a: Ratio of plants with photobleaching leaves=plants with photobleaching leaves / total plants×100%; b: Replicate 11, 12 and replicate 21, 22 represent two repetitional technical experiments including a first and a second biological replicates; c: 2/9 in bracket indicates: 2 plants with photobleaching leaves/9 total plants tested. Data in the other brackets follow the same rule; d: / indicates no data available.
結(jié)合供試品種在高溫條件下接種小麥條銹菌菌株后發(fā)病嚴(yán)重度以及接種BSMV病毒后TaPDS基因的沉默效果,確定小麥品種‘Local Red與153352、153234等18個菌株;‘NJ1194與1415330、153234等7個菌株,‘揚麥12與153352、1415330等6個菌株;‘揚麥18與153352、1415330等6個菌株,‘Chinese Spring與1415330、153234等5個菌株,‘寧麥15與153352等4個菌株組成親和(侵染型4型,嚴(yán)重度3~4級)互作組合(表6),可以用來進(jìn)行條銹菌耐高溫相關(guān)基因功能研究。特別是‘Local Red對供試的153352、153234等18個耐高溫菌株表現(xiàn)為高度親和,在高溫條件下接種這些菌株后其發(fā)病嚴(yán)重度達(dá)到3級以上,并且與BSMV病毒親和度較高,是利用HIGS方法驗證條銹菌耐高溫相關(guān)基因功能的理想材料。
2.3 利用HIGS技術(shù)干涉小麥條銹菌耐高溫菌株TUB基因
以小麥品種‘Local Red與耐高溫菌株153234組成互作組合,分析高溫接種條件下干涉耐高溫條銹菌菌株中TUB基因?qū)l銹菌侵染發(fā)病的影響。與未接種病毒的空白對照Mock相比,感染攜帶空載體BSMV:00病毒的小麥幼苗葉片上的條銹菌侵染略受影響,發(fā)病嚴(yán)重度與孢子密度有所降低。進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn),當(dāng)條銹菌TUB基因被干涉后,接種葉片發(fā)病嚴(yán)重度進(jìn)一步降低,孢子堆數(shù)量更少,且夏孢子堆周圍組織出現(xiàn)少量褪綠。說明當(dāng)TUB基因被干涉后,高溫條件下條銹菌的侵染過程明顯受到了抑制(圖3)。
3 討論
研究表明,多數(shù)小麥品種具有不同程度的溫敏微效基因調(diào)控的抗條銹性[10],構(gòu)建研究條銹菌耐高溫相關(guān)基因功能的互作體系需要排除溫敏微效抗性對試驗結(jié)果的干擾。本研究首先篩選了20個常溫條件下高感條銹病的小麥品種,研究了其與22個耐高溫菌株的互作,發(fā)現(xiàn)其中‘Local Red、‘NJ1194、‘揚麥12、‘揚麥18、‘Chinese Spring以及‘寧麥15等11個品種在高溫接種條件下呈現(xiàn)高嚴(yán)重度的侵染表型,結(jié)合接種BSMV:TaPDS后的顯癥情況,篩選出適合利用HIGS方法研究條銹菌耐高溫相關(guān)基因功能的小麥品種‘Local Red與菌株153352和153234等互作組合。同時獲得了153352、1415330和153234等一批耐高溫性穩(wěn)定且對上述品種具有高致病性的條銹菌菌株,為開展后續(xù)試驗奠定了基礎(chǔ),也可為其他專性寄生真菌的相關(guān)試驗提供參考。
高溫條件下,接種空載體病毒的小麥植株與空白對照組相比條銹菌發(fā)病減弱,而實際常規(guī)接種溫度下,兩組材料發(fā)病沒有明顯差異。根據(jù)已有文獻(xiàn)報道,BSMV病毒中3種RNA鏈即α、β、γ的比例會因為溫度條件的不同而發(fā)生顯著變化,致使感病植物中病毒含量改變[11]。推測一定范圍內(nèi)溫度升高有利于病毒繁殖,影響了條銹菌的發(fā)病,致使高溫條件下接種了空載體的試驗組發(fā)病減弱。
試驗發(fā)現(xiàn),為提高小麥接種病毒的效率,擴繁病毒應(yīng)使用8~10葉期的幼嫩煙草,煙齡過大則煙草內(nèi)病毒繁殖量會大大降低。此外,煙草病毒汁液中保證有適量硅藻土或石英砂可以提高病毒接種效率,但摩擦劑的量過大可能使小麥幼苗受傷過重導(dǎo)致死亡。在病毒摩擦接種小麥的過程中,一只手固定小麥莖部,一只手輕柔地單向摩擦接種,可避免小麥根部被松動或者對葉片造成太大的機械傷害。
已有報道表明小麥品種‘Morocco與‘Thatcher均有易于觀察到利用BSMV沉默目的基因的表型,可作為基因沉默的試驗材料。但在研究中發(fā)現(xiàn),‘Morocco接種病毒的成功比例較低且顯癥時間明顯晚于其他小麥材料。兩次重復(fù)試驗中均沒能觀察到‘Thatcher葉片接種BSMV:TaPDS后產(chǎn)生漂白褪綠癥狀,但能檢測到植株中的病毒RNA。因此,BSMV病毒載體對小麥品種‘Local Red基因沉默效率高于‘Morocco與‘Thatcher,更適合作為研究條銹菌耐高溫相關(guān)基因功能的寄主材料。
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(責(zé)任編輯:田 喆)