甜瓜白粉病抗性基因的克隆及功能分析

Melon is an important economic crop in the world. Powdery mildew is one of the important disease restriction in melon production. Molecular breeding of melon powdery mildew resistance started relatively late, the main bottleneck of melon powdery mildew resistance molecular breeding is the few available resistant source. Powdery mildew resistance gene mining and research of molecular marker development remain to be improved. So far, there are no melon powdery mildew main effective disease-resistant gene have been isolated by map-based cloning. Therefore, this research base on the fine mapping result of a melon powdery mildew resistance genes in previous study by our laboratory, all of the candidate genes will be isolated, and transformed into Arabidopsis, by the observing of transgenic Arabidopsis powdery mildew resistance changing, confirm the melon powdery mildew resistance related gene. And then, verification of gene function will be done by gene overexpression, gene knockout and promoter analysis. Research of gene expression profile in the process of powdery mildew infection will be done by transcriptomics, genomics and bioinformatics analysis to construct gene regulatory networks. The key node genes of this network will be validated to clarify the melon powdery mildew resistance gene function and regulation mode. This study will provide gene resource and theoretical basis for melon powdery mildew resistance breeding.

甜瓜在世界范围是重要的经济作物，白粉病是制约甜瓜生产的重要病害。甜瓜抗白粉病分子育种起步较晚，主要瓶颈是可以利用的抗源较少，在白粉病抗性基因挖掘及基因克隆领域的研究有待提高，到目前为止还没有甜瓜白粉病主效抗病基因通过图位克隆手段获得的相关报道。因此，本研究在前期甜瓜白粉病抗性基因精细定位的基础上，克隆全部候选基因，并将候选基因对拟南芥进行遗传转化，通过转基因拟南芥的白粉病抗性观察确定白粉病抗性基因。利用抗性基因超量表达、基因敲除、启动子分析等手段分析基因功能；通过转录组学、基因组学等生物信息学分析手段，研究甜瓜在白粉病菌侵染过程中基因表达变化情况，构建基因调控网络，并验证其关键节点，阐明甜瓜白粉病抗性基因在整个调控网络中的功能及其调控模式，为甜瓜白粉病抗性育种提供基因资源与理论基础。

甜瓜是世界范围重要作物，也是我国的主要经济作物之一， 2018年我国甜瓜总种植面积35.9万公顷，总产量达1,279万吨。甜瓜病害严重危害其产量和品质，制约甜瓜产业发展。其中，甜瓜白粉病因其发生范围广、防治难度大、病程发展快成为了甜瓜生产中的主要病害。白粉病发病后，叶片、茎蔓、花和果实出现白色霉层，造成植株失绿、早衰和光合作用减弱，导致植株严重减产和果实品质下降。现代分子育种技术是实现抗病育种的重要手段，其基础在于抗源材料抗性位点和基因的挖掘。因此，本研究在前期甜瓜白粉病抗性基因精细定位的基础上，进一步缩小定位区间，发现精细定位区间内的MELO3C002441基因在抗病亲本 MR-1的叶片中表达量在接菌后显著增加，叶片中的表达量显著高于茎中的表达量，在感病亲本M4-7的叶片中该基因表达量在接菌后显著下降，功能注释显示该基因为含有锚蛋白重复序列的蛋白，可能参与信号传导和蛋白互作，同时该基因翻译的蛋白质587位氨基酸由Cys突变为Phe，这一突变在另外5个抗病鉴别寄主中也存在，预测该基因是甜瓜白粉病显性抗病基因Rl的候选基因；利用生物信息学分析，预测候选基因MELO3C002441的信号肽、跨膜结构域和保守结构域，利用系统进化分析，对候选基因进行了聚类分析，并构建了GPF融合载体，进行了亚细胞定位分析。结果表明：MELO3C002441定位于细胞膜上，无预测的信号肽，与NPR基因家族具有相似的保守结构域，并且与大豆GmNPR4具有较高的相似性，推测该基因参与甜瓜对白粉病的系统获得性抗性。通过将候选基因对拟南芥进行遗传转化，通过转基因拟南芥的白粉病抗性观察确定白粉病抗性基因。利用抗性基因超量表达、基因敲除、启动子分析等手段分析基因功能；通过转录组学、基因组学等生物信息学分析手段，研究甜瓜在白粉病菌侵染过程中基因表达变化情况，构建基因调控网络，并验证其关键节点，阐明甜瓜白粉病抗性基因在整个调控网络中的功能及其调控模式，为甜瓜白粉病抗性育种提供基因资源与理论基础。