灰霉菌胁迫下小立碗藓的转录组分析及重要抗病基因鉴定

Physcomitrella patens, a relatively small moss, is emerging as a new model system for various studies of plant physiology and genetics。This project intends to study transcripts of P. patens challenged by Botrytis cinerea using the transcriptome sequencing technology, and establish transcriptome database of the moss. We will obtain the differentially expressed genes from the database. The important candidate genes involved in disease resistance of P. patens will be screaned from the differentially expressed genes. Transcription expression of the candidate genes will be confirmed by Real-time quantitative PCR. Additionally, the association of the candidate genes with resistance mechanism will be studied by gene knock-outs. The present study will provide insights into the molecular resistance mechanism of P. patens to B. cinerea infection, leading to a more comprehensive understanding of disease resistance mechanism of land plant.

小立碗藓是研究植物生物学和基因功能的模式植物。本项目拟利用转录组测序技术，以小立碗藓转录本为研究对象，建立小立碗藓在灰霉菌胁迫下的转录组数据库，获得病原菌胁迫条件下差异表达的基因，进而筛选出主要抗病候选基因和在苔藓植物中特有的抗病候选基因，并通过Real time-PCR和基因敲除技术确认候选基因的表达情况和与抗病性的关系，以初步掌握小立碗藓防御反应和调控通路的整体情况。. 本项目研究的开展，将为进一步研究小立碗藓抗病反应机制提供基础数据和切入点；通过比较维管束植物和非维管束植物在病原菌胁迫下的转录组数据，可较全面地掌握两者抗病机制的异同，特别是有可能找到植物登陆早期特有的抗病机制，为阐明陆生植物抗病机制进化奠定科学基础，为农作物抗病品种的培育提供新基因资源和信息平台。

苔藓植物是植物登陆早期的代表，研究小立碗藓的抗病性可为全面阐明陆生植物进化历程提供有用数据。对小立碗藓的抗病性研究已取得了一定进展，但是主要集中在对单个基因的功能研究。本研究的转录组测序分析结果表明，小立碗藓接种灰霉菌12h、1d、2d、3d后分别与未接种的进行比较呈差异表达的基因分别有635、909、1449、2795个，其中上调表达基因所占的比例分别为58.6%、62.9%、47.3%、30.8%。其中只在12h、1d、2d、3d差异表达的基因分别有137、205、257、1733个，其中上调表达基因所占的比例分别为52.6%、78.0%、51.4%、26.7%。出现这种上调表达基因逐渐减少的现象，说明小立碗藓对病原菌的防卫反应可能是在小立碗藓与病原菌互作早期。. 小立碗藓接种灰霉菌后病原菌相关分子模式触发免疫系统和效应蛋白触发免疫系统相关的基因都呈不同程度差异表达，说明小立碗藓可能通过激活PTI系统和ETI系统来抵抗灰霉菌的侵染。并启动了如p53、水杨酸、茉莉酸或乙烯、生长素、细胞分裂素、脱落酸等信号转导路径。除此之外，苯丙烷类生物合成路径相关基因都发生了不同程度的上调和下调，说明小立碗藓可能通过苯丙烷类代谢合成木脂素类、黄酮类、芪类等多酚化合物来增强对灰霉菌的防御作用。. 对从转录组数据中筛选出的抗性基因进行功能研究发现，1、CAD参与了小立碗藓类木质素的合成，CAD基因家族的CAD3和CAD4参与了对灰霉菌的防御反应，而CAD1与防御反应无关；2、胼胝质合酶6通过合成胼胝质参与了小立碗藓对灰霉菌的防御反应；3、在维管束植物中FLS2是识别细菌鞭毛蛋白的膜受体激酶，但是本研究却发现小立碗藓中的类FLS2参与了对灰霉菌的免疫反应。. 本项目研究的开展，为进一步研究小立碗藓抗病反应机制提供基础数据和切入点;为全面阐明陆生植物抗病机制进化奠定科学基础。