抗松材线虫病马尾松种源的抗性相关基因分析_郑华英.pdf
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1、 收稿日期:2022-06-14 基金项目:国家重点研发计划(2017YFD0600104)资助。作者简介:郑华英,博士,副研究员。E-mail:*通信作者:解春霞,研究员。E-mail: 安徽农业大学学报,2023,50(3):379-388 Journal of Anhui Agricultural University DOI 10.13610/ki.1672-352x.20230625.006 网络出版时间:2023-06-26 16:19:55 URL https:/ 抗松材线虫病马尾松种源的抗性相关基因分析 郑华英1,徐丽丽1,解春霞1*,刘云鹏1,叶建仁2(1.江苏省林业科学研究
2、院,南京 211153;2.南京林业大学林学院,南京 210037)摘 要:为了从转录组水平探讨抗病马尾松种源对松材线虫的响应机制。以抗病马尾松 GD5 种源为试验材料,普通马尾松 SX1 种源为对照,利用 RNA-seq 技术通过 Illumina 高通量测序平台对松材线虫诱导前后的试验材料进行转录组测序和差异基因表达分析。试验共获得 65 889 条 unigenes,平均长度为 906.85 bp,其中 40 478 条(61.43%)unigenes 基于 Nr、GO、COG、KEGG 等多个公共数据库获得了功能注释。抗病马尾松 GD5 种源在接种松材线虫后差异表达基因数量为 3 24
3、7 条,包括 2 308 条基因表达显著上调,939 条基因表达显著下调。其中有 1 961 条(60.39%)差异表达基因被注释到 GO 数据库中,有 504 条(15.52%)差异表达基因被注释到 233 条 pathway。普通马尾松 SX1 种源在松材线虫诱导过程中产生了更多的差异表达基因。两个马尾松种源富集的 GO 条目和 pathway差异也较大。抗病马尾松 GD5 种源体内编码醛脱氢酶的 5 条基因和编码超氧化物歧化酶、过氧化物酶体原蛋白以及细胞色素 b2 的基因表达均显著上调,醛脱氢酶基因不仅富集于抗坏血酸和醛酸代谢途径中,还参与-丙氨酸、赖氨酸、色氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨
4、酸、组氨酸、精氨酸和脯氨酸等氨基酸的代谢途径;参与氨基糖和核苷酸糖代谢途径的 6 条几丁质酶基因表达均显著上调;参与单萜生物合成的短链脱氢酶/还原酶 2b 及参与倍半萜和三萜生物合成的长叶烯合酶基因表达均显著上调,而参与二萜类生物合成的 1(10),5-格玛吖啶-4-醇合酶、萜烯合酶、-松油醇合酶、异丙二烯合酶以及 2-甲基-3-丁烯-2-醇合酶等表达均显著下调。抗病马尾松 GD5 种源对松材线虫的胁迫响应是多基因和多信号途径共同参与调控的复杂防御反应,是全局性系统性的响应模式。与抗性相关的醛脱氢酶、几丁质酶等编码基因为后期相关抗性基因的研究提供了参考。关键词:抗病马尾松种源;松材线虫病;转录
5、组测序;抗性基因 中图分类号:S791.248 文献标识码:A 文章编号:1672-352X(2023)03-0379-10 Analysis of resistance genes in Pinus massoniana provenances against pine wood nematode disease ZHENG Huaying1,XU Lili1,XIE Chunxia1,LIU Yunpeng1,YE Jianren2(1.Jiangsu Academy of Forestry,Nanjing 211153;2.School of Forestry,Nanjing Fores
6、try University,Nanjing 210037)Abstract:To investigate the response mechanism of PWD-resistant Pinus massoniana provenance to pine wood nematode at transcriptome level.Using disease-resistant provenance-GD5 of P.massoniana as test materials and normal provenance-SX1 of P.massoniana as control,the tra
7、nscriptome profiles analysis of test materials before and after infected by Bursaphelenchus xylophilus were sequenced by RNA-seq technology using Illumina se-quencing platform,and the differentially expressed genes were analyzed.The result showed that:65 889 unigenes were obtained,of which 40 478(61
8、.43%)unigenes were identified in NR,GO,KEGG,Swiss-Prot COG and the other databases in total.The average length is 906.85 bp.In GD5,the number of differentially expressed genes(DEGs)were 3 247,including 2 308 up-regulated genes and 939 down-regulated genes,1 961 DEGs(60.39%)were annotated into the go
9、 database and 504 DEGs(15.52%)were annotated into 233 pathways.SX1 occupied more DEGs after infected by B.xylophilus.The GO and KEGG terms exhibited big differences between the two provenance pines.Aldehyde dehydrogenase,superoxide dismutase,peroxisome biogenesis protein 1 and cyto-chrome b2,mitocho
10、ndrial-like were significantly up-regulated.The aldehyde dehydrogenase genes were not only 380 安 徽 农 业 大 学 学 报 2023 年 enriched in ascorbic acid and aldehyde metabolism pathway,but also involved in the metabolism of amino acids such as -alanine,lysine,tryptophan,valine,leucine,isoleucine,histidine,ar
11、ginine and proline.Six chitinase genes involved in the metabolism of amino sugar and nucleotide sugar were significantly up-regulated.Dehydro-genase/reductase 2b-like involved in monoterpenoid biosynthesis and longifolene synthetase involved in sesquit-erpenoid and triterpenoid biosynthesis were sig
12、nificantly up-regulated,while 1(10),5-germacradien-4-ol synthase,terpene synthase,-terpineol synthase,isopimaradiene synthase and 2-methyl-3-buten-2-ol synthase involved in diterpenoid biosynthesis were significantly down-regulated.The stress response of GD5 to pine wood nematode is a complex defens
13、e response that involves multiple genes and multiple signal pathways,and it is a global and sys-tematic response mode.The coding genes such as aldehyde dehydrogenase and chitinase related to resistance pro-vide a reference for the study of related resistance genes in the later stage.Key words:PWD-re
14、sistant Pinus massoniana provenance;Pine wood nematode disease;RNA-seq;Re-sistance genes 松材线虫病(pine wood nematode disease)是发生在松属(Pinus spp.)树种上的重大生物灾害之一,能够引起松树大量死亡。由于该病涉及到寄主松树、线虫、天牛、真菌、细菌以及环境因素等多个方面,至今其致病机理尚未完全弄清,对其治理也较为被动,无论是物理清除、化学治理、还是生物防控,都较难达到理想的预防控制效果。因而对树种本身的抗性差异进行研究,培育抗病松种(种源、品种、家系、无性系),可能成为
15、松材线虫病最有希望的防治途径1。马尾松(P.massoniana)是中国松类中分布最广、资源最丰富的乡土树种,也是南方 19 省区重要的荒山脊地造林树种,受松材线虫病的侵染为害十分严重。有研究表明马尾松不同地理种源之间对松材线虫病的抗病性有着明显的差异2-4。徐福元等5-6经过十多年不定期接种观测试验,选出了来自不同地理区域的抗松材线虫病马尾松 GD5 等多个种源。对于马尾松的抗松材线虫病机制研究大多集中在生理生化层面,如萜类化合物、氨基酸等,而关于马尾松抗松材线虫病分子机制的研究报道较少。RNA-Seq 技术在植物抗病机制的研究中已得到广泛应用7-10,在植物与线虫互作的抗性机制研究方面也有
16、很多成功的例子,如二穗短柄草(Brachypodium distachyon)与 禾 谷 孢 囊 线 虫(Heterodera avenae)11、大豆品种(Glycine spp.)与大豆胞囊线虫(H.glycines Ichinohe)12-15、桃砧木与南方根结线虫(Meloidogyne incongnita)16、马尾松无性系与松材线虫(Bursaphelenchus xy-lophilus)17-18等互作的抗性机制研究。本研究主要利用 RNA-seq 技术,通过 Illumina 高通量测序平台,以期从转录组水平揭示抗病马尾松 GD5 种源对松材线虫的应答机制,为选择具有抗性的马
17、尾松种源育苗造林提供科学依据,也为今后可能开展的转基因育种打下理论基础。1 材料与方法 1.1 试验材料 以抗松材线虫病马尾松 GD5 种源为试验材料,普通马尾松 SX1 种源为对照。供试材料分别引自广东信宜和陕西固城,均为 2 年生实生苗。1.2 试验方法 1.2.1 松材线虫培养 用 PDA 培养基在培养箱(26 1)中培养灰葡萄孢菌(Botrytis cinerca),待灰葡萄孢菌长满培养皿后接入松材线虫,置于培养箱中培养。待平板菌丝几乎被食尽后,用无菌水将线虫洗出,离心浓缩配制成约 1 000 条 mL-1的线虫悬液。1.2.2 马尾松样本采集 2017 年 2 月,从种源地引进供试材
18、料,栽植于江苏省林业科学研究院内的苗圃地。6 月中旬,对试验对象分别采集针叶,然后用刀片在马尾松茎干上切一斜向下(长约 0.5 cm,宽约 1 cm)的伤口至木质部,伤口内塞入棉花至伤口填满,在棉花上滴入松材线虫悬液,接种量 1 000 条/株。之后每天观察马尾松发病情况,待有针叶开始变色的病害症状出现时,对所有接种株再次采集针叶。每组试验材料 3 个生物学重复。采集的针叶迅速放入液氮冷冻,70 保存。1.2.3 马尾松样本总RNA提取与Illumina测序 将所有不同处理的马尾松样本分别提取 RNA。采用Invitrogen 公司提供的 Plant RNA Purification Rea-
19、gent 试剂盒提取。RNA 纯度、浓度和完整性检测方法分别为 NanoDrop、Qubit 和琼脂糖凝胶电泳。测序 RNA 浓度20 ngL-1,总量2 g,交由上海凌恩生物科技有限公司,采用 Illumina TruseqTM RNA sample prep Kit 方法构建文库。1.2.4 数据处理 对测序获得的原始数据经质量控50 卷 3 期 郑华英等:抗松材线虫病马尾松种源的抗性相关基因分析 381 制、组装和拼接19后得到的马尾松 unigene 序列分别与 Nr、string、gene 等数据库比对,进行 Nr、GO、COG、KEGG pathway(http:/www.geno
20、me.jp/kegg/)等注释。同时根据所有样本与参考基因组的比对结果,以基因组的注释文件作为参考,统计每个转录本在每个样本中的 RPKM 值,以该值作为该转录本的表达量20-23。1.2.5 马尾松样本差异基因分析 以 FDR 0.05&Foldchang2 为标准筛选差异表达基因。利用GO(Gene Ontology,http:/www.geneontology.org/)、KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)等公共数据库对差异表达基因进行功能注释。富集分 析 使 用 软 件Goatools(https:/ Fisher 方法进行精确检
21、验。同时采用 Bonferroni、Holm、Sidak 和false discovery rate 等 4 种多重检验方法对 P 值进行校正,以控制计算的假阳性率,当经过校正的 P 值(p_fdr)0.05 时24,认为此 GO、KEGG 功能存在显著富集情况。2 结果与分析 2.1 马尾松接种松材线虫后的感病症状观察 2017 年 6 月中旬,对抗病马尾松 GD5 种源和普通马尾松 SX1 种源分别接种松材线虫,之后每天观察接种株的发病情况。结果显示,接种后第 14 天,SX1 种源的接种株均开始出现不同程度的针叶失绿变色的症状,至 30 d 时,植株 1/2 以上的针叶变红,至 60 d
22、 时,均全株死亡;GD5 种源的接种株则长势良好,未出现任何感病症状,说明 GD5 种源的抗病性可靠。2.2 马尾松样本转录组测序 以试验材料转录组测序所用的 RNA 样品共 12份,总 RNA 等量混合后用于 Illumina HiSeq 平台测序。试验共获得 65 889 条 unigenes,平均长度为906.85 bp,其中 40 478 条 unigenes 基于 Nr、GO、COG、KEGG等多个公共数据库获得了功能注释(表1),占总 unigenes 的 61.43%;每种数据库都有注释的 unigenes 为 6 904 条,占总 unigenes 的 10.48%。表 1 马
23、尾松样本 unigenes 功能注释信息统计 Table 1 Statistics of unigenes function annotation information of P.massoniana samples DB_name annoted_unigenes Length1000 1 000Length3 000 Length3 000 NR 38 799(58.89%)38 317 478 4 GO 35 212(53.44%)21 385 12 075 1 752 COG 27 749(42.11%)17 149 9 217 1 383 KEGG 8 329(12.64%)4 6
24、72 3 176 481 SWSS 29 185(44.29%)28 855 325 5 In_all_DB 6 904(10.48%)3 806 2 674 424 AT_least_one_DB 40 478(61.43%)25 359 13 270 1 849 散点代表各个基因,红色点表示显著上调的基因,蓝色点表示显著下调的基因,黑色点为非显著差异基因。下同。图 1 抗病马尾松 GD5 种源接种松材线虫前后基因差异表达分析散点图及火山图 Figure 1 Scatter plot and volcano map of GD5 differential expression genes a
25、nalysis inoculated with B.xylophilus 2.3 马尾松样本差异表达基因分析 本试验中,抗病马尾松 GD5 种源在接种松材线虫后差异表达基因数量为 3 247 条(图 1),其中包括 2 308 条基因表达显著上调,939 条基因表达显著382 安 徽 农 业 大 学 学 报 2023 年 下调。普通马尾松 SX1 种源在接种松材线虫后差异表达基因数量为 6 804 条(图 2),其中包括 4 226条基因表达显著上调,2 578 条基因表达显著下调。比较发现,GD5 种源有 1 974 条特异性差异基因上调表达、803 条特异性差异基因下调表达,与 SX1种源
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