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马尾松( Pinus massoniana Lamb.)速生、耐干旱瘠薄、适应性强,是我国南方荒山造林的先锋树种,在一些立地条件较差的山地,马尾松甚至是唯一可造林的本土树种。由松材线虫( Bursaphelenchus xylophilus (Steiner et Buhrer) Nickle,PWN)引起的松树萎蔫病是一种毁灭性森林病害,其中,马尾松为松材线虫主要危害对象之一。马尾松群体中存在抗病基因型,利用抗病品种防治松材线虫病为最经济、有效的途径之一,现已在安徽、浙江等地选育出一批抗性较高的马尾松家系和无性系[1],但对其抗性机理并不完全清楚。
植物抗性基因(R基因)是其对病虫害防御反应的主要基因, 其中, 富含亮氨酸重复序列(LRRs)是植物R基因编码蛋白最重要的结构特征之一, NBS-LRR 、 LRR-STK 类是R基因中的两类[2]。在植物与线虫互作过程中, NBS-LRR 类是植物抗病基因中数量最多的一类[3]。依据 NBS 在N端的不同结构,又主要分为 TIR-NBS-LRR 和 CC-NBS-LRR 两种类型。 Hs1pro-1是从甜菜( Beta vulgaris L.)中获得的第1个R基因[4]。之后,在马铃薯( Solanum tuberosum L.)和樱桃( Cerasus pseudocerasus Lindl.)中发现的R基因编码蛋白皆具有核苷酸结合位点和富亮氨酸重复序列(NBS-LRR)结构,其中, Gpa2、Mi-1.2、Mi9和Hero A编码蛋白属于N端为卷曲螺旋结构域(CC-NBS-LRR)结构类别的抗性蛋白,而Ma和Gro1-4编码蛋白属于N端为Toll/白细胞介素受体(TIR-NBS-LRR)结构类别的抗性蛋白。 CC-NBS-LRR 与 TIR-NBS-LRR 这两类抗性基因在应对病原菌侵染时发挥着不同的功能[5]。基因不受时期、部位以及环境影响均可较稳定表达即为组成型基因。在这些植物抗性基因中,基因组成型表达对抗性起重要作用。如 CC-NBS-LRR 亚家族中组成型表达基因RGC260在向日葵( Helianthus annuus L.)抗锈病过程中发挥重要作用[6]。转录因子 CBF1 的组成型表达可增强冷敏感植物的抗寒性[7]。感染柑桔黄龙病菌( Candidatus Liberibacter spp.)后,组成型表达基因 PtCDR2 和 PtCDR8 在抗黄龙病柑桔( Poncirus trifoliate L.)中表达丰度较高[8]。
目前, 在松树对松材线虫病的抗性机制研究上进展相对较慢,仅发现一些抗性相关物质或基因。如Menéndez-Gutiérrez等对不同抗性的几种松树进行研究,发现组成型氮、多酚和磷在对松材线虫病抗性较强的火炬松( P. taeda L.)和地中海松( P. halepensis L.)木质部中的含量高于易感病的赤松( P. sylvestris L.)[9],松类内酚类、单宁、黄酮和木质素含量高不利于松材线虫的繁殖生长[10]。在分子水平上发现与活性氧、木质素、萜类和乙烯等合成相关的基因与抗松材线虫病关系密切[11-14]。本研究组已利用转录组高通量测序技术发现编码扩展蛋白、萜类合酶和活性氧等基因在接种松材线虫前后表达量发生显著的变化[15],且在高抗与易感马尾松间表达量差异也达到显著水平,但这种表达量的差异为诱导型,在不接种情况下,无法利用这些基因对高抗马尾松进行早期鉴定。本试验在前期研究基础上,着重于研究和识别高抗和易感马尾松间与抗松材线虫病相关的组成型表达基因,为解析马尾松抗性机理和高抗马尾松早期选择提供理论依据。
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根据前期预实验结果发现,接种松材线虫后第15天马尾松顶稍略显萎蔫,接种后第30天针叶开始变黄。故本研究选取不接种松材线虫、接种松材线虫后第1、15和30天时的材料进行转录组测序。以马尾松36个样本茎段等量混合RNA为材料进行二代转录组测序,共获得80 340个unigenes,平均长度为675 bp,N50值分别为1 634 bp和1 245 bp。其中,14 994 unigenes(18.66%)大于1 kb。将高抗与易感马尾松的表达谱进行比较(将易感马尾松作为对照),在接种松材线虫后第1、15和30天分别获得的差异基因为2 866、679和1 657个,其中, 在高抗马尾松上具有较高表达量的基因数分别为1 438、508和757个(图 1)。进一步分析结果显示,这些差异基因在不同接种时间的共有基因相对较少(图 2)。如在接种松材线虫后第1天获得的差异基因中有1 886个差异基因是特有的,仅有153个差异基因出现在接种后第15天和第30天。
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对高抗与易感马尾松接种松材线虫后3个时间点的差异基因进行GO富集分析,其中, 将在生物过程(Biological process,BP)、细胞组成(Cellular component,CC)和分子功能(Molecular function,MF)中最显著的前10位GO项列于表 1~3。结果显示:在BP类别中(表 1),接种后1、15和30 d最显著富集的GO项皆为氧化-还原过程,其次为跨膜转运。另外GO项刺激反应、转录调节以及香叶基二磷酸代谢过程也较显著。在CC类别中,接种后1、15和30 d显著富集的前10位GO项,尽管排序略有不同,但类目相同(表 2),其中, 最显著的GO项为膜整体构成(GO:0016021),其次为质膜(GO:0005886)。在MF类别中,接种后1、15和30 d最显著富集的前3位GO项相同,分别为氧化还原酶活性(GO:0016491)、蛋白结合(GO:0005515)和DNA特异序列结合(GO:0000981)。
基因本体编号
GO ID类别 Term 差异基因 GO 富集 Different genes GO enrichment 接种后1 d
1d After inoculation接种后15 d
15 d After inoculation接种后30 d
30 d After inoculationGO:0055114 氧化-还原过程 Oxidation-reduction process 2.80E-11 4.80E-11 3.50E-10 GO:0055085 跨膜转运 Transmembrane transport 2.30E-05 4.80E-05 1.10E-05 GO:0008152 代谢过程 Metabolic process 8.90E-05 - - GO:0042026 蛋白质重折叠 Protein refolding 9.70E-05 - - GO:0006886 胞内蛋白转运 Intracellular protein transport 0.000 32 0.000 35 - GO:0009725 激素应答 Response to hormone 0.000 46 0.000 49 - GO:0050896 刺激反应 Response to stimulus 0.000 50 0.000 30 0.000 49 GO:0006950 胁迫应答 Response to stress 0.000 97 0.001 11 0.000 93 GO:0006355 转录调节 Regulation of transcription, DNA-templated 0.001 25 0.001 85 0.001 25 GO:0033383 香叶基二磷酸代谢过程 Geranyl diphosphate metabolic process 0.001 57 0.001 46 0.000 56 GO:0006468 蛋白质磷酸化 Protein phosphorylation - 0.000 18 0.000 17 GO:0006749 谷胱甘肽代谢过程 Glutathione metabolic process - 0.000 42 - GO:0006097 乙醛酸循环 Glyoxylate cycle - - GO:0030435 孢子形成 Sporulation resulting in formation of a cellular spore - - GO:0006886 胞内蛋白转运 Intracellular protein transport - - 0.000 31 GO:0009266 温度刺激应答 Response to temperature stimulus - - 0.002 32 GO:0006464 细胞蛋白质修饰过程 Cellular protein modification process - - 0.002 79 Table 1. GO enrichment analysis of different genes at different time of inoculation in resistant and susceptible P. massoniana (BP)
基因本体编号
GO ID类别 Term 差异基因 GO 富集 Different genes GO enrichment 接种后1 d
1d After inoculation接种后15 d
15 d After inoculation接种后30 d
30 d After inoculationGO:0016021 膜整体构成 Integral component of membrane 3.60E-24 1.20E-21 3.50E-17 GO:0005886 质膜 Plasma membrane 5.90E-11 2.90E-11 3.60E-11 GO:0009507 叶绿体 Chloroplast 1.10E-09 3.60E-10 6.00E-10 GO:0005829 细胞质基质 Cytosol 3.30E-07 3.10E-07 2.90E-07 GO:0009570 叶绿体基质 Chloroplast stroma 2.20E-05 1.70E-05 1.80E-05 GO:0044464 细胞组分 Cell part 4.80E-05 0.000 12 9.90E-05 GO:0005773 液泡 Vacuole 6.40E-05 5.40E-05 5.80E-05 GO:0005768 核内体 Endosome 9.60E-05 6.10E-05 7.30E-05 GO:0009941 叶绿体被膜 Chloroplast envelope 0.000 16 3.10E-05 0.000 14 GO:0005840 核糖体 Ribosome 0.000 21 1.50E-06 2.00E-05 Table 2. GO enrichment analysis of different genes at different time of inoculation in resistant and susceptible P. massoniana (CC)
基因本体编号
GO ID类别 Term 差异基因 GO 富集 Different genes GO enrichment 接种后1 d
1d After inoculation接种后15 d
15 d After inoculation接种后30 d
30 d After inoculationGO:0016491 氧化还原酶活性 Oxidoreductase activity 2.10E-10 8.80E-09 5.50E-08 GO:0005515 蛋白结合 Protein binding 1.90E-07 5.00E-08 2.00E-07 GO:0000981 DNA特异序列结合 Sequence-specific DNA binding 1.80E-05 4.10E-06 1.40E-05 GO:0003824 催化活性 Catalytic activity 4.60E-05 0.000 14 0.000 19 GO:0005488 结合 Binding 5.00E-05 - - GO:0004721 磷蛋白质磷酸蛋白活性 Phosphoprotein phosphatase activity 0.000 14 - 7.60E-05 GO:0010181 FMN结合 FMN binding 0.000 26 5.60E-05 0.000 17 GO:0008874 葡萄糖酸5-脱氢酶活性 Gluconate 5-dehydrogenase activity 0.000 49 - - GO:0016832 醛裂解酶活性 Aldehyde-lyase activity 0.000 53 - - GO:0004591 酮戊二酸脱氢酶 Oxoglutarate dehydrogenase 0.000 62 0.000 18 0.000 3 GO:0004738 丙酮酸脱氢酶活性 Pyruvate dehydrogenase activity - 0.000 14 0.000 29 GO:0004375 甘胺酸脱氢酶 Glycine dehydrogenase - 0.000 23 0.000 37 GO:0051287 NAD结合 NAD binding - 0.000 39 GO:0016758 转移酶活性 Transferase activity - 0.000 55 0.000 58 Table 3. GO enrichment analysis of different genes at different time of inoculation in resistant and susceptible P. massoniana (MF)
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为更好地了解GO项刺激反应参与马尾松抗松材线虫病的方式,对相关差异基因进行进一步分析。结果显示:在该GO项中包含26个R基因。在接种后第1天,与刺激反应GO项相关的差异基因共71个,其中,R基因25个;接种后第15天,与刺激反应GO项相关的差异基因共17个,其中,R基因4个;接种后第30天,与刺激反应GO项相关的差异基因共47个,其中,R基因14个。在这些R基因中,除1个 NBS-LRR 基因(c76976.graph_c0)和1个编码受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶基因(c71845.graph_c0)在易感马尾松接种松材线虫后表达量显著发生变化外(以接种蒸馏水作为对照),其它基因不论在高抗还是易感马尾松中(表 4),接种松材线虫后表达量变化皆未达显著水平( P <0.05),意味着这些基因的表达差异为组成型,即不论接种与否对这些基因的表达影响不大。
类别 Term 基因编号 Gene_ID 基因表达量 Relative level of gene expression/RPKM RI1 SI1 RI15 SI15 RI30 SI30 受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶
LRR receptor-like serine/ threonine-protein kinasec63612.graph_c0 11.14 0.78 10.80 0.67 15.65 0.38 c75632.graph_c0 25.21 75.21 - - 8.99 43.55 c74934.graph_c1 9.49 31.04 - - 11.00 43.81 c78638.graph_c0 1.18 11.57 - - 0.30 9.71 c72330.graph_c0 2.55 10.92 - - 1.34 5.37 c52089.graph_c0 0.61 5.38 - - - - c77321.graph_c0 15.01 34.64 - - - - c77212.graph_c0 5.26 13.39 - - - - c76446.graph_c0 7.21 22.56 - - - - c64844.graph_c0 1.10 5.51 - - - - c71845.graph_c0 5.21 40.05 - - - - c72922.graph_c0 - - - - 17.85 60.44 NBS-LRR蛋白
NBS-LRR proteinc79162.graph_c0 0.00 5.56 0.65 5.82 - - c49318.graph_c0 0.40 5.25 0.90 4.83 0.19 5.22 c66133.graph_c0 10.50 30.33 - - 12.53 30.92 c73896.graph_c0 2.48 8.31 - - 3.32 9.25 c76976.graph_c0 11.13 40.39 - - 9.57 29.29 c76662.graph_c0 2.63 7.31 - - - - c62473.graph_c0 1.72 7.55 - - - - TIR-NBS-LRR蛋白
TIR-NBS-LRR proteinc65785.graph_c0 2.68 0.00 - - 2.71 0.00 c73334.graph_c0 0.60 51.29 4.19 16.98 0.60 22.60 c53610.graph_c0 2.44 7.51 - - 2.20 7.67 c76602.graph_c0 1.95 4.46 - - 1.93 3.21 c65671.graph_c0 0.00 3.34 - - 0.00 4.84 c75804.graph_c0 2.88 8.01 - - - - c66096.graph_c0 4.10 23.63 - - - - 注:RI1,高抗马尾松接种松材线虫后第1天的基因表达;S1,易感马尾松接种松材线虫后第1天的基因表达;RI15,高抗马尾松接种松材线虫后第15天的基因表达;SI15,易感马尾松接种松材线虫后第15天的基因表达;RI30,高抗马尾松接种松材线虫后第30天的基因表达;SI30,易感马尾松接种松材线虫后第30天的基因表达。
Notes: RI1, Genes expression of resistant P. massoniana at 1day after PWN inoculation; SI1, Genes expression of susceptible P. massoniana at 1day after PWN inoculation; RI15, Genes expression of resistant P. massoniana at 15day after PWN inoculation; SI15, Genes expression of susceptible P. massoniana at 15 days after PWN inoculation; RI30, Genes expression of resistant P. massoniana at 30 day after PWN inoculation; SI30, Genes expression of susceptible P. massoniana at 30 days after PWN inoculation.Table 4. Differential expression of differential R genes in resistant and susceptible P. massoniana
这些R基因中, NBS-LRR 基因在易感马尾松上皆有高的表达量,而受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶和 TIR-NBS-LRR 基因表达量变化趋势不完全一致,除1个受体丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶基因(c63612.graph_c0)和1个 TIR-NBS-LRR 基因(c65785.graph_c0)外,其余基因在易感马尾松中表达量仍高于高抗马尾松中的表达量。值得注意的是, TIR-NBS-LRR 基因(c65785.graph_c0)仅在高抗马尾松中表达,而在易感马尾松中不论接种与否,在接种后任一时间表达量皆为0,表明该基因可能具有开发为鉴定高抗马尾松分子标记的潜力。
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差异基因GO富集分析发现:GO项转录调节生物过程在3个时间点皆达到显著水平。GO项转录调节共包括41个基因,经nr注释有39个为未知基因,剩余的2个为 ERF (Ethylene-responsive factor)转录因子,其中, ERF 转录因子(c78073.graph_c0)在高抗马尾松中的表达量始终显著高于易感马尾松中的表达量(图 3),但不论高抗还是易感马尾松,在接种松材线虫与接种蒸馏水间差异不显著,因此可认为该基因的表达也为组成型。由于该基因在易感马尾松中的表达量极低,约为0,因此该基因也具有开发为检测高抗马尾松分子标记的潜力。而另一个 ERF 转录因子(c65633.graph_c0),在接种松材线虫后第1天和第15天,在高抗马尾松或易感马尾松上基因表达量受松材线虫的影响。如接种松材线虫第1天,该基因在高抗马尾松上的表达量较对照(接种蒸馏水)显著升高;但在接种松材线虫后第30天,高抗马尾松和易感马尾松中该基因在接松材线虫与接种蒸馏水间表达量差异皆不显著。同时结果还显示:3个时间点不论接种松材线虫与否, ERF 转录因子(c65633.graph_c0)在高抗马尾松上的表达量皆高于易感马尾松。由此推测, ERF 转录因子(c78073.graph_c0、c65633.graph_c0)在马尾松抗松材线虫病中可能起正调控作用。
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GO项香叶基二磷酸代谢过程在3个时间点也达到显著水平,其中,接种松材线虫后,在高抗与易感马尾松间共发现13个萜类合成相关基因。这13个差异基因中编码(-)-β-蒎烯合酶、(+)-α-蒎烯合酶、(-)-柠檬烯合酶、长叶烯合酶和δ-芹子烯合酶的基因表达量在接种松材线虫和接种蒸馏水处理间差异显著,意味着松材线虫会诱导这些基因的表达量发生显著变化;而编码 GGPPS 的3个基因(c33360.graph_c0、c33943.graph_c0和c58549.graph_c0),不论接种松材线虫与否,3个时间点在高抗与易感马尾松间的表达量差异皆达极显著水平(图 4),表明这种表达差异也为组成型,推测 GGPPS 在抵御松材线虫病的过程中起重要作用。
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为了验证转录组测序结果的可靠性,对接种松材线虫后高抗与易感马尾松间的41个差异基因(包括26个 LRR 抗性基因、2个转录因子和13个萜类相关基因)进行qRT-PCR验证。结果显示:所有基因qRT-PCR结果表达趋势与转录组测序结果一致,相关系数为0.935 8,达极显著水平,表明转录组测序结果较可靠。