小麦赤霉病抗性转换分子机理研究

Wheat scab fungus, Fusarium graminearum, can infect almost all cultivated plants in Gramineae family and other plant species, including wheat, barley, corn and rice. Infection by this fungus causes serious losses of yield and produces highly toxic mycotoxins that pose a serious threat to human and domestic animals. China is one of the countries that suffer mostly from the damage caused by this fungus and have the largest acreages affected. Recently we have found a novel resistance mechanism, namely resistance inversion, in wheat in response to scab fungus. In this proposal, systems biology comprising the methodologies of transcriptome, proteomics and metabolomics is for the first time introduced into investigation of the molecular mechanisms of the resistance inversion and signal transduction together with the associated genes in wheat seedling and floret in response to the fungus infection. The combined approach will reveal gene expression, metabolic pathways and their regulation at three different levels of transcripts, proteins and metabolites. In addition, RNAi, enzyme activity and promoter elements will be used to study the mechanisms of detoxification and resistance role of a cytochrome P450 gene, revealing the role of P450 in resistance to wheat scab. Upon completion of the project, novel results including mechanisms of resistance inversion in wheat,structure and detoxification role of P450 enzyme and key genes involved in pathogenicity of the fungus are expected, which will provide valuable information and materials for breeding wheat cultivars with both seedling and floret resistances and development of novel strategies for controlling the pathogen.

小麦赤霉病菌可侵染几乎所有栽培的禾本科植物及其它植物，包括小麦、大麦、玉米和水稻，降低作物产量，还产生影响人畜健康的剧毒真菌毒素。我国是世界上受小麦赤霉病危害面积最大、最为严重的国家之一。小麦赤霉病抗性转换是我们最近发现的一种抗病新机制。本项目利用转录组、蛋白组和代谢组学技术，首次将系统生物学引入小麦赤霉病抗性转换分子机理研究，分析小麦苗期和花期抗赤霉病的信号传导与关键基因，从转录、蛋白和代谢三个层次解析小麦与赤霉病菌互作过程中的基因表达、代谢路径及其调控；并结合RNAi、酶活性、启动子元件，研究依赖于抗性表型而表达的小麦细胞色素P450酶的抗病、脱毒机制，阐明P450酶在抗赤霉病中的作用。本项目的完成可望在揭示小麦赤霉病抗性转换分子机理、P450酶结构及脱毒功能、赤霉病菌致病关键基因功能方面取得创新性成果，为培育兼具苗期和花期抗性的小麦新品种、发展赤霉病控制新技术提供科学依据和材料。

小麦赤霉病不仅降低产量，还产生真菌毒素。本项目计划从转录组、蛋白组和代谢组水平，分析小麦品种苏麦3号和安农8455在苗期和花期应答赤霉病菌侵染的分子基础。..选择P450基因的一个606 bp片段，构建RNAi载体（Ubiqutin启动子），转化小麦品种苏麦3号（苏3）；同时克隆了其全长cDNA，构建小麦超表达载体（Ubiqutin启动子），转化小麦品种安农8455（安农）。筛选获得的阳性植株经PCR鉴定后，提取RNA用于实时定量RT-PCR分析。结果表明，转RNAi的3株苏3材料，其靶基因的表达量下降53%至73%；而转超表达载体的安农材料，目的基因的表达量没有显著变化。..利用RNA-seq，分析了苏3和安农苗期和花期接种赤霉病菌后不同时间的转录组，共获得416M Reads，每个样品分别产生最低10M和最高12M 的reads；经SOAP2软件，可将每一个库中最低8M和最高11M单一匹配reads（70%-89%），定位到参考基因。维恩图统计赤霉病菌诱导表达的基因数目表明，苗期安农2287个，苗期苏3共4276个；花期安农6335个，花期苏3共9353个；苗期抗病安农8455和花期抗病苏3共同诱导表达的基因11个；苗期感病苏3和花期感病安农共同诱导表达的基因10个。这些基因参与植物重要的抗病反应过程。还鉴定了多个组织特异诱导表达基因及其顺式元件。..通过双向电泳和iTRAQ结合质谱测序等蛋白组学技术，分析了苏3和安农与赤霉病菌互作时在蛋白质水平的差异，并从转录水平验证了差异蛋白编码基因的表达。以核磁共振技术，分析苏3和安农花期接种赤霉菌后的代谢组差异，代谢物的主成分显示了很好的组间聚类，不仅品种间差异显著，而且接菌及水处理对照间也显著不同，说明赤霉病菌的侵染改变了小麦的代谢。. 还克隆了小麦甲硫氨酰tRNA合成酶基因，发现该基因定位于细胞核中，能增强植物对赤霉病菌和毒素的抗性。筛选、鉴定了可提高小麦赤霉病抗性、特异靶向赤霉病菌关键致病基因的RNAi分子。从小麦麦穗中分离可抑制赤霉菌的芽孢杆菌，并揭示它的抑菌机理。这些研究结果，为揭示小麦-赤霉菌互作机理，发展控制赤霉病新技术，提供了材料和信息。