云南野生稻中Xa21基因外显子II的分离及序列分析

Xa21是已经分离克隆的一个具有广谱抗性的水稻白叶枯病抗性基因,根据已克隆的白叶枯病抗性基因Xa21外显子II序列设计特异性引物对云南三种野生稻及其它稻种进行PCR扩增。结果表明只有普通野生稻（景洪普通野生稻和元江普通野生稻）及长雄野生稻中扩增到了长400 bp的目的片段,而疣粒野生稻和药用野生稻及栽培稻中均没有扩增到目的片段。通过序列比较发现所克隆的序列同长雄野生稻的氨基酸序列变化是随机的。     

云南野生稻中的抗白叶枯病基因Xa21的鉴定

水稻白叶枯病是水稻生产上的主要细菌病害之一。从野生稻中发掘优异的水稻白叶枯病抗性材料,可以拓宽栽培稻抗白叶枯病遗传基础。经过温室接菌鉴定和PCR标记分析,对云南野生稻进行Xa21基因的检测鉴定。温室接菌鉴定表明,云南野生稻对广谱致病小种PX099及云南强致病菌Y8具有较好的抗性能力,特别是疣粒野生稻对致病菌株达到免疫程度;PCR标记分析表明,云南野生稻不含有Xa21基因,但含有与Xa21基因某些区域同源的片段。本研究结果为寻找新的抗源材料及快速发掘利用云南野生稻中的抗白叶枯病基因提供理论依据。     

云南野生稻抗白叶枯病类Xa21基因的鉴定

水稻白叶枯病是水稻生产上的主要细菌病害之一。从野生稻中发掘优异的水稻白叶枯病抗性材料,可以拓宽栽培稻抗白叶枯病遗传基础。经过温室接菌鉴定和PCR标记分析,对云南野生稻进行Xa21基因的检测鉴定。温室接菌鉴定表明,云南野生稻对广谱致病小种PX099及云南强致病菌Y8具有较好的抗性能力,特别是疣粒野生稻对致病菌株达到免疫程度;PCR标记分析表明,云南野生稻不含有Xa21基因,但含有与Xa21基因某些区域同源的片段。本研究结果为寻找新的抗源材料及快速发掘利用云南野生稻中的抗白叶枯病基因提供理论依据。     

水稻白叶枯病抗性基因Xa21的分子生物学研究进展

由黄单胞杆菌水稻致病变种Xanthomonas oryzae pv.oryzae(Xoo)引起的白叶枯病是水稻重要细菌性病害之一。迄今,已有7个水稻白叶枯病抗性基因被克隆。Xa21是第一个被克隆的白叶枯病抗性基因,因具有广谱抗性而受到广泛的关注。对Xa21的发现、定位及克隆、表达特征、编码产物XA21的生化特性、作用与调控以及XA21介导的免疫反应模式等方面的研究结果进行综述,并对今后的研究方向进行展望。     

来源于疣粒野生稻的白叶枯病新抗源的鉴定

疣粒野生稻对白叶枯病高抗甚至免疫。粳稻品种8411与疣粒野生稻体细胞杂交获得了2个高抗所有栽培稻白叶枯病抗性基因均不能抵御的国际广致病菌系P6的新种质SH5和SH76,遗传分析鉴定出新种质含有1个抗P6小种的显性基因。本研究以高感白叶枯病水稻品种IR24及携带不同抗性基因的16个材料为参照,对分蘖期、孕穗期的SH5和SH76分别接种11个白叶枯病小种,抗性分析表明SH5和SH76的抗谱广,与IRBB21(Xa21)抗谱一致,与IRBB5(xa5)、IRBB7(Xa7)和Asominori(Xa17)的较相近。用Xa21的分子标记pTA248和XA21检测,确定SH5和SH76不携带Xa21基因,前期研究结果证实新种质中不含xa5和Xa7;与Asominori的杂交试验表明其抗性基因与Xa17基因不等位。这些结果表明SH5和SH76中存在1个抗P6小种的新基因。     

白叶枯病菌胁迫下云南普通野生稻SSH文库的构建及抗病相关基因分析

以云南普通野生稻为材料,利用抑制差减杂交技术（SSH）,构建了白叶枯病菌胁迫的云南普通野生稻特异表达基因的差减文库.通过对文库所有阳性单克隆进行测序,聚类分析后共获得494条高质量的表达序列标签（EST）.经过BlastN分析,有417条与已知功能的序列有较高同源性;经BlastX分析,有104条EST与未知功能蛋白或假定蛋白有较高相似性,49条EST未能找到同源匹配,341条EST与已知功能蛋白有较高同源性.初步分析发现,这些基因主要涉及能量代谢、蛋白质代谢、核酸代谢、防御与抗逆应答反应、信号转导、光合作用及膜运输等代谢过程.使用半定量RT-PCR研究了7个可能与白叶枯病抗性相关的EST序列在云南普通野生稻对照和白叶枯病菌处理的叶片中的表达情况,并获得这些基因的表达谱.结果发现,克隆编号为OR7,OR68和OR826的EST受白叶枯病菌胁迫诱导上调表达,其中OR826 EST在蛋白数据库中无同源序列,可能是一类新的白叶枯病抗性基因,而组成型表达的OR143 EST在对照和接菌处理的叶片中均能检测到其mRNA的表达,但其表达量在白叶枯病菌胁迫48 h后逐渐增强,推测这些基因直接参与了云南普通野生稻抗病防御反应.本研究为从云南普通野生稻中发掘和克隆新的白叶枯病抗性基因提供了理论依据,为进一步研究云南普通野生稻抗白叶枯病的分子机制奠定了基础.     

无选择标记和载体骨干序列的Xa21转基因水稻的获得

利用双右边界T-DNA载体通过根癌农杆菌介导法将水稻白叶枯病广谱抗性基因Xa21导入杂交稻重要恢复系C418中。T0代共获得27个独立转基因株系,通过田间抗性鉴定与PCR分析,有17个株系的Xa21基因分子鉴定为阳性,且对白叶枯病原菌P6生理小种具有抗性。通过对17个株系的后代植株进行田间抗性鉴定,分子标记辅助选择及Southern杂交分析,结果显示4个株系的T1代植株中能分离出无潮霉素标记基因的Xa21转基因植株。无选择标记Xa21转基因株系的获得率为15%。PCR检测还表明,这些无选择标记的Xa21转基因植株不带有载体骨架序列。通过对转基因后代进一步的抗性鉴定与PCR辅助选择,获得了无选择标记和载体骨架序列的转基因Xa21纯合的抗白叶枯病水稻。     

经基因工程改良的抗白叶枯病水稻粳型恢复系“C418—Xa21”及其杂交稻

通过农杆菌介导的转化系统,将业已克隆的水稻抗白叶枯病基因Xa21导入重要的粳型杂交稻恢复系“C418”。PCR和抗性分析表明单拷贝整合的Xa21在T1代的分离比为3：1。在T2代通过PCR和抗性分析选择了Xa21纯合的转基因株系“C418－Xa21”。将选择的转基因纯合系“C418－Xa21”与常用的雄性不育系“屉锦A”杂交,产生了带有转基因Xa21的杂交稻“屉优418－Xa21”（简称转基因杂交稻）。分子分析表明转基因Xa21在杂交稻“屉优418－Xa21”中能稳定遗传,抗性分析表明转基因恢复系“C418－Xa21”和转基因杂交稻“屉优418－Xa21”对白叶枯病具有高度的广谱抗性,并保持了受体对照的优良农艺性状。另外我们还转基因杂交稻“屉优418－Xa21”对白叶枯病的抗性水平高于转基因恢复系“C418－Xa21”,这可能是遗传背景的差异所致,抗白叶枯病转基因粳型恢复系数 杂交稻的育成将有益于杂交稻在我国北方稻区的推广。     

XA21和PI-D2激酶蛋白质在酿酒酵母中的表达及其自我磷酸化研究

白叶枯病和稻瘟病是最主要的水稻病害。Xa21是水稻白叶枯病抗性基因,Pi-d2是稻瘟病抗性基因,二者都编码类受体激酶蛋白质。在前期研究中,曾系统地研究了细菌中表达XA21激酶蛋白质的生化活性。在此实验中利用真核表达系统酿酒酵母对Xa21和Pi-d2编码的蛋白激酶进行了表达、纯化及自我磷酸化活性分析,为进一步的生化分析、蛋白质-蛋白质相互作用研究、底物筛选等奠定了基础。     

水稻抗白叶枯病基因Xa4位点跨叠BAC克隆群的构建

水稻白叶枯病抗性基因Xa4已被定位于第11染色体长臂末端的分子标记VG181和L1044之间,并与抗性基因同源序列片段RS13共分离。利用这3个标记筛选IRBB56的BAC文库,共得到128个阳性BAC克隆,其中RS13获得18个阳性克隆,这18个克隆中有4个和6个我隆分别同时为G181和L1044的阳性克隆,选其中的12克隆进行分析,构建了一个从G181到L1044区间的BAC跨叠克隆,全长420kb,并且56M22、106P13和104B153个BAC克隆可覆盖整个跨叠克隆群。这一研究结果为进一步分离Xa4基因打下基础。     

农杆菌介导将白叶枯病抗性基因Xa21导入水稻获得转基因植株

利用农杆菌介导的高效遗传转化系统,将白叶枯病抗性基因Xa21转入黄淮稻区主栽品种豫粳6号的胚性愈伤组织,获得转基因植株,GUS染色和PCR分析证明Xa21基因已整合到水稻基因组中,其自交T1代植株经GUS染色和白叶枯病接种鉴定呈现3：1分离,研究为培育抗白叶枯病水稻品种奠定了基础。     

转基因水稻T—DNA侧翼序列的扩增与分析

利用现有的转抗白叶枯病基因Xa21的水稻材料,通过TAIL－PCR技术扩增出携带Xa21基因的T－DNA的侧翼序列,对24个有效扩增片段的序列分析结果表明,其中14个侧翼序列是水稻DNA,9个含载体主干序列,1个是外源基因Xa21片段,14个T－DNA侧翼的水稻DNA序列与直接转化法外源基因整合位点的基因组序列具有不同的特点,这些T－DNA在水稻染色体上整合后其两端序列的特点类似于在转基因双子叶植物中观察到的现象,在含主干序列的侧翼序列（37．5％,9／24）,中,载体主干序列是以不同的类型出现的。     

来自中国云南野生稻的抗稻瘟病遗传资源

与Pi-ta^＋等位基因相比,含有Pi-ta^＋等位基因的栽培稻具有抗稻瘟病特性。本研究用基因序列分析的方法检测了来自云南的不同栽培稻品种以及不同类型和来源的普通野生稻种和非洲长雄蕊野生稻种中的Pi-ta^＋基因,发现Pi-ta地基因在稻属植物中高度保守,但Pi-ta^＋等位基因的存在极其稀有。在所检测的栽培稻和野生稻中仅有来源于云南景洪的直立型普通野生稻中含有Pi-ta^＋等位基因。而与Pi-ta基因相比,另一个水稻抗稻瘟病基因Pib,经部分同源序列克隆及测序发现该基因在不同野生稻中的变异较大。在所克隆的不同野生稻Pib基因同源序列中,也只有来源于直立型普通野生稻的序列能按该基因的开放阅读框进行正常翻译。对不同类型普通野生稻的抗稻瘟病能力的初步鉴定结果表明,直立型普通野生稻对供试的本地稻瘟病生理小种具有较强抗性,其抗性可能源于所含的Pi=ta^＋等位基因及可能有功能的Pib基因。由于普通野生稻与栽培稻同属AA基因组型,因此,云南直立型普通野生稻可通过杂交育种或基因工程途径用于栽培稻的抗稻瘟病性能改良。     

由农杆菌介导将白叶枯病抗性基因Xa21转入我国的5个水稻品种

利用农杆菌介导的转化系统将已克隆的Xa21基因转入我国5个水稻主栽品种, 获得了110个独立的转基因系. 转基因植株的PCR和Southern分析揭示Xa21基因已整合到受体基因组. 已整合的Xa21基因能稳定遗传, 单拷贝整合的转化体在自交T1代呈现抗感3:1的分离. 接种实验表明转基因T0植株和Xa21-PCR阳性T1植株对白叶枯病的高度抗性. 经过筛选的Xa21纯合的具有优良品质的抗性转基因系可以作为品种直接种植, 或者用于杂交稻育种.     

水稻白叶枯病抗性基因Xa23鉴别菌株突变体库的构建及无毒基因突变体的筛选

利用in vivo转座技术构建了白叶枯病抗性基因Xa23鉴别菌株的突变体库,特异性引物PCR扩增和转座子插入位点旁侧序列分析结果表明转座子插入到白叶枯病菌的基因组中。经人工接种鉴定,筛选到4个毒力发生变化的突变体。为进一步克隆Xa23无毒基因提供了条件。     

水稻白叶枯病候选抗性基因SHNLR的RGAs克隆及分析

旨在从含有疣粒野生稻抗白叶枯病基因的新种质SH5、SH76基因组中克隆抗病基因。利用RGAs法得到1个NBS-LRR类同源基因,暂命名为SHNLR(登录号为JF934724)。结果表明,SHNLR的开放阅读框长度为3 105 bp,编码1 034个氨基酸,含有CC、NB-ARC与LRR结构域,具备CC-NBS-LRR类植物抗病基因的结构特征。BLASTn和BLASTp比对显示SHNLR是单拷贝基因,未发现同源性较高且功能已知的基因,仅NBS保守域序列与番茄Prf基因的相似度最高。对SHNLR基因电子定位,发现其位于水稻第11号染色体的长臂末端,但与11号染色体上已定位或克隆的8个白叶枯病抗性基因具有不同序列或处于不同的位置。半定量RT-PCR分析表明,SHNLR在抗病新种质叶片中的表达明显受到白叶枯病菌Zhe173的诱导。因此推测SHNLR可能是1个与抗白叶枯病相关的R基因。     

分子标记辅助选择聚合Xa23,Pi9和Bt基因

利用分子标记辅助选择将高抗水稻白叶枯病的Xa23基因、广谱高抗稻瘟病的Pi9基因、抗水稻螟虫和稻纵卷叶螟的Bt基因聚合到同一株系中,获得了三基因聚合的纯合株系。病、虫抗性鉴定结果显示：聚合了Xa23、Pi9和Bt基因的株系HB1471、HB1473能同时抗白叶枯病、稻瘟病和稻纵卷叶螟;与Xa23、Pi9基因的供体材料L10相比,对白叶枯病和稻瘟病的抗谱相同、抗性水平相当;对稻纵卷叶螟抗性与Bt基因的供体亲本MH63-Bt水平相当。Xa23、Pi9和Bt三基因纯合株系可以作为水稻育种的多抗供体材料。     

长雄野生稻有利基因的发掘与利用

人类将普通野生稻驯化为亚洲栽培稻,其农艺性状如株高、落粒性、穗型等发生了重要变化,产量也大幅提高,但许多优良性状如抗逆性等却丢失。长雄野生稻与亚洲栽培稻同属AA基因组,蕴藏了许多生物胁迫和非生物胁迫的抗性基因,被认为是亚洲栽培稻遗传改良的潜在基因库。本文总结了长雄野生稻生物及非生物胁迫抗性、地下茎性状以及其他潜在应用价值性状,包括白叶枯抗性、抗旱性、耐热性、自交不亲和性、氮高效利用以及高产等有利性状。基于长雄野生稻地下茎性状开展多年生稻育种实践的应用研究,对长雄野生稻进行从头驯化的策略进行了探讨,以期为长雄野生稻基础研究及栽培稻遗传改良提供理论参考。     

水稻转基因系CX8621中Xa21的整合和表达

农杆菌介导的转基因技术在植物中已被广泛应用,而目的基因能否发挥功能受到多种因素的影响。前期,通过农杆菌介导的转化,实验室创制了无选择标记、无载体骨架残留的水稻转Xa21基因系CX8621。截止目前,CX8621已稳定遗传16代,依然保持着对水稻白叶枯病的优良抗性。在此基础上,本研究对外源基因Xa21在CX8621中的整合和表达情况进行了分析。首先,通过在转化载体p BXa21的左右边界与Xa21基因序列设计嵌套引物,确定Xa21被完整地整合到CX8621中。随后,利用改良的Tail-PCR方法体外克隆了整合位点的边界序列,明确了Xa21被整合在CX8621的2号染色体上。然后,通过RT-PCR分析了Xa21在CX8621中不同时期和不同组织的表达情况,结果表明Xa21在CX8621中能稳定表达,其表达量的变化与之前报道的抗病性反应吻合。此外,还制备了天然XA21蛋白的抗体,对CX8621不同时期、不同组织中XA21蛋白的表达量进行了检测,结果发现在种子中检测不到XA21蛋白。由此,通过对外源基因Xa21的整合和表达分析,为CX8621的转基因生物安全评价提供了部分科学依据。     

云南元江普通野生稻中Pi-ta和Pib同源基因的克隆和分析

用高保真PCR技术从云南元江普通野生稻中克隆了抗稻瘟病Pi-ta同源基因的编码区及Pib基因的部分同源序列。Pi-ta同源基因的编码区序列与报道的栽培稻有99.7%的同源性。根据前人的结果,从元江普通野生稻的Pi-ta基因推导的氨基酸序列中918位点为丝氨酸,属于Pi-ta~-等位基因,不能对含有AVRPita基因的稻瘟病菌产生抗性。与Pi-ta基因相比,元江普通野生稻中的Pib同源基因第一外显子与栽培稻的相应序列间存在较大差异,其中有一段87 bp的DNA序列缺失,而且不能按正常的Pib基因序列的阅读框进行翻译。因此认为,元江普通野生稻不具有基于Pi-ta和Pib基因的抗稻瘟病遗传基础。