抗病基因PpRm2调控桃树抗蚜性状的分子机制解析

Aphids are major agriculture pests worldwide that cause extensive damage to crops through both direct feeding and disease transmission. In peach, resistance to green peach aphid (Myzus persicae Sulzer), the main aphid pest, is controlled by the simple dominant Rm2 locus on chromosome 1. In our previous work, the interval including Rm2 was reduced from 1.14 to 0.3 Mb, a candidate gene in the Rm2 locus was identified, designated PpRm2. In this project, the functions of PpRm2 and its' evolutionary origin will be further investigated. Firstly, we will identify the DNA sequence differences of Rm2 locus among resistance or susceptible cultivars, relative species and published reference genome by long-read SMRT sequencing combined with Illumina sequencing data, which can help us to understand molecular mechanism of aphid resistance and developing functional molecular makers for marker assistant selection in peach programmes. Secondly, gene functionalities will be analyzed for the PpRm2 using stable transformation of model organisms, virus-induced gene silencing system in peach seedlings and subcellular location display. This project not only has a theoretical significance in expanding our knowledge of regulatory mechanism of resistance to aphid in peach, but will also provide molecular tools highly useful for genetic improvement of resistance to aphid.

蚜虫是重要的农业害虫，除了直接危害，还传播多种植物病毒。桃绿蚜是桃树主要的蚜虫类型，其抗性受第1号染色体末端Rm2位点控制，为显性单基因性状。申请人前期通过精细定位将Rm2位点缩小至0.3Mb的范围，并筛选到了抗蚜调控候选基因PpRm2，在此基础上，拟解析该基因的来源过程和调控桃树抗蚜性状的分子机理。首先，对抗蚜品种开展长片段三代测序及精细定位区间拼接，基于拼接结果分析抗感蚜品种、野生近缘种和参考基因组在定位区间的差异，从而明确桃树抗蚜性状的来源过程和遗传基础，并开发与抗蚜性状相关的分子标记。其次，通过PpRm2基因在模式植物中过表达、桃幼苗中瞬时沉默及基因的亚细胞定位等研究，明确PpRm2基因参与抗蚜调控的分子机理。本项目的开展既能解析控制桃树抗蚜性状产生的分子机理，又可获得抗蚜相关分子标记，用于桃树抗性遗传改良，具有重要的理论意义和应用价值。

桃蚜是桃树上的重要害虫和多种植物病毒的载体。目前桃中已经对3种显性单基因抗进行了遗传分析，但抗性的分子调控机制尚不清楚。本项目以寿星桃来源的抗蚜品种为试材，通过BSA定位分析，将寿星桃来源的Rm3抗性定位至为1号染色体上160kb的区间，包含21个基因。对候选基因位点种基因的RNA-seq数据分析表明，没有发现候选基因的存在，但在Rm3精细定位区间发现了NBS-LRR基因（ppa000596m）周围的染色体结构变异。通过构建一个抗蚜桃品种的BAC文库，对3个目标BAC克隆进行测序，鉴定出一个含有两个新的TIR-NBS-LRR类抗病蛋白编码基因的染色体结构变异，并将表达的NBS-LRR（PpRm3）鉴定为抗桃蚜候选基因。PpRm3仅在抗性桃的叶片中表达。以PpRm3序列设计的分子标记与713个后代、162个桃品种和14个野生近缘种的蚜虫抗性表型严格共分离。为了解析寿星桃桃对蚜虫侵染的分子响应机制，用桃绿蚜分别侵染抗蚜和感蚜桃品种，取蚜虫危害0，3，6，9，12，24，48和72小时的样品进行转录组分析，鉴定出3854个差异表达基因。转录组分析表明，尽管感蚜品种也会对蚜虫危害做出响应，但抗性品种的转录组基因的总体变化幅度显著强于感蚜品种。抗蚜和感蚜品种差异的基因涉及了植物防御反应的相关过程，包括氧化还原情况、钙介导的信号、转录因子（例如WRKY、MYB和ERF）、MAPK信号级联、植物激素信号、致病相关蛋白和次生代谢物等相关基因。这些结果表明，Rm3调控的寿星桃类蚜虫抗性主要依赖于防御相关通路和信号元件的诱导表达，苯丙酸/黄酮途径产生的特异性次级代谢产物等生物学过程。