CN104593379A - 运用比较基因组学快速鉴定大白菜抗白粉病基因 - Google Patents

Abstract

本发明是快速鉴定大白菜抗白粉病基因；涉及到植物比较基因组学，遗传学和生物信息学等学科知识，属于植物生物技术科学领域。该发明主要步骤为：1)大白菜全基因组序列的下载及MLO型基因的采集；2)MLO型基因的鉴定；3)MLO型基因系统发育关系；4)MLO型白粉病基因的比对。该发明有效的缩短了大白菜白粉病基因挖掘周期，有利于白粉病基因的快速鉴定；通过鉴定的候选白粉病基因开发相应的共分离功能性标记(SNP、SCAR等)，还可以快速的用于抗白粉病基因的分子标记辅助选择，准确性高；结合其它抗病基因分子标记可进行多抗性育种材料的创制，缩短育种年限，提高育种效率；为阐述大白菜抗白粉病分子机制奠定了基础。

Description

运用比较基因组学快速鉴定大白菜抗白粉病基因

技术领域

本发明是借助于大白菜测序全基因组序列，利用植物比较基因组学、遗传学、生物信息学和候选基因策略等方法快速鉴定大白菜白粉病基因，主要涉及到大白菜全基因组序列的下载，候选基因的鉴定，基因的比对，聚类等手段，进而鉴定出白粉病基因，属于植物生物技术科学领域。

背景技术

大白菜是中国广泛种植的蔬菜作物之一。近年来，随着全球气候变暖，该病害的发生在我国西北、华北等地区日趋严重，造成白菜产量和质量的急剧下降，已成为白菜生产中的主要病害之一。喷洒杀菌剂和种植抗病品种是防御此病的主要方法。但长期使用杀菌剂会危害环境安全，且易引起病菌小种变异产生拮抗作用。推广种植抗病品种是安全、环保和高效的控制策略。常规育种实践中，对于抗白粉病材料的选择是十分困难的：一方面选育周期长，需要经历杂交和回交复杂的选择程序；另一方面白粉病的发生受到很多因素的综合影响，例如：温度、湿度和病菌小种等，鉴定抗性材料的过程不容易控制。因此，挖掘白粉病抗性基因将可以加快白菜选育抗性品种的进程。

MLO型抗病基因是植物特异的一类抗病基因。研究者最早发现MLO(Mildew resistancelocus o)基因对白粉病抗性是始于1937-1938年，由德国人在埃塞俄比亚采集了很多品种的大麦，其中的两个株系对白粉病菌(Blumeria graminis f.sp.hordei)所有已知的生理小种都具有高效抗性。进一步研究表明，大麦中MLO基因的隐性突变mlo可以使大麦对几乎所有已知大麦白粉病菌的生理小种产生持久、广谱的抗性。最近，研究者发现很多植物的抗白粉病基因都是MLO型基因控制，如番茄，豌豆、拟南芥、蔷薇、辣椒、百脉根等等。因此挖掘植物中的MLO型抗病基因对植物抗白粉病育种具有重要的作用。

目前，常用挖掘抗病基因常用的方法有图位克隆，转座子标签等方法。但是由于大白菜的基础研究不够深入，因此利用这些方法不仅时间长而且很难准确地克隆这些基因。因此，如何快速鉴定大白菜中的MLO型抗病基因将成为大白菜抗白粉病育种的重要前提。

植物比较基因组学(Comparative Genomics)是基于基因组图谱和测序基础上，对已知的基因和基因组结构进行比较，来了解基因的功能、表达机理和物种进化的学科。利用模式植物基因组与其它植物基因组之间编码顺序上和结构上的同源性，克隆其他植物基因，揭示基因功能和分子机制，阐明物种进化关系及基因组的内在结构。本专利所采用的方法及思路：模式植物拟南芥基因组研究已经揭示了MLO型基因的功能，利用基因其顺序上的同源性克隆大白菜MLO型抗病基因，根据模式植物拟南芥实验系统上的优越性和已知MLO型抗病基因的特点，快速“捕捉”大白菜抗白粉病基因。本专利介绍了以大白菜全基因组序列为前提，结合比较基因组学、遗传学、基因组学、生物信息学和候选基因策略等知识，快速挖掘白粉病基因。

发明内容

技术问题

本发明的目的是提供一种通过结合植物比较基因组学、植物遗传学、基因组学和生物信息学等知识，快速挖掘大白菜抗白粉病基因。其结果一方面可用于大白菜白粉病基因紧密连锁分子标记的开发，进行分子标记辅助选择育种，另一方面也为其他作物白粉病基因鉴定提供参考依据。

技术方案

主要原理：第一个植物抗白粉病基因(MLO)是从大麦中克隆的，研究发现此基因是一类特殊的抗病基因，不同于先前克隆的大多数NBS(nucleotide-binding site)类型抗病基因；随后，研究者相继从番茄、拟南芥、豌豆、辣椒、百脉根等植物中克隆了白粉病基因，研究发现这些基因编码的都是MLO型抗病基因。随后，众多研究者通过多次试验证实MLO型抗病基因已经成为植物特有的一类抗白粉病基因。进一步发现，植物MLO类型基因是一个基因家族；而且对来源于不同物种的MLO基因家族进行系统发育关系分析发现，不同物种中抗白粉病基因总是聚类一起，成为一类，这一类MLO基因都具有抗白粉病基因序列的典型特征。大白菜基因组测序的完成为挖掘白粉病基因提供了一条便利途径。因此，可以借助于已经测序的大白菜全基因组中MLO基因家族和已经克隆的MLO白粉病基因的系统发育关系以及对于维持白粉病基因MLO重要功能的氨基酸保守性来鉴定大白菜白粉病基因。

主要步骤如下：

1)大白菜全基因组序列的下载及其MLO型基因的采集

首先从大白菜测序基因组数据库(http://brassicadb.org/brad/index.php)下载大白菜全基因组序列；使用“DNATOOLS”软件对获得的大白菜全基因组氨基酸序列数据建立数据库，然后用pfam数据库(蛋白家族数据库，http://pfam.janelia.org/search/sequence)中的隐马尔可夫模型(HMM)对MLO结构域的氨基酸序列与已建立的大白菜全基因组氨基酸序列数据库进行Blastp(E-value=0.001)序列比对，初步筛选出候选基因序列。其次，利用已经公布的MLO型基因序列，对大白菜基因组数据库进行BLAST比对，获得候选基因序列。

2)大白菜MLO型基因家族的鉴定

将上述结果中得到的同源核苷酸序列的候选基因，通过Pfam(E-value=1.0)进行分析，去除无‘MLO’结构域的基因序列(图1)。再将候选抗病基因序列通过MEGA3.1软件提供的ClustalW工具(多序列比对程序)进行多序列比对，去除重复序列。

3)通过植物MLO型基因的系统发育关系鉴定候选的大白菜MLO型白粉病基因

由于先前的研究已经证明，双子叶植物MLO型白粉病基因位于植物MLO基因系统发育树同一区组，因此在系统发育关系研究中，我们把拟南芥的MLO型基因家族和一些其他作物的MLO型抗白粉病基因和大白菜MLO型基因一起聚类分析，以获得候选的大白菜抗白粉病基因(图2)。

4)大白菜白粉病基因与已知的植物MLO白粉病基因的比对

利用BioXM 2.6软件将大白菜候选的MLO型白粉病基因和拟南芥、番茄、豌豆、大麦的MLO白粉病基因的氨基酸序列转换成Fasta格式的文件，将这些文件导入BioEdit 7.0软件，运用此软件中Clustal软件进行多序列比对，揭示候选白粉病基因重要氨基酸残基及区域的保守性。从而进一步鉴定大白菜候选的白粉病基因(图3)。

本发明的积极效果：

1)缩短了大白菜白粉病基因挖掘周期，有利于白粉病基因的快速鉴定。采用常规方法(图位克隆、转座子标签等)挖掘抗白粉病基因不仅耗时耗力、效率低，且难以成功。本发明基于植物比较基因组学、遗传学、生物信息学方法快速挖掘大白菜白粉病基因，不仅可以缩短时间，还可以提高白粉病基因鉴定效率。

2)大白菜(Brassica rapa)属于十字花科芸苔属，是全世界广泛种植的重要蔬菜作物之一。由于大白菜遗传基础狭窄，种质资源多样性低，因此通过常规的分子标记(RAPD、ISSR、SSR、AFLP等)鉴定大白菜白粉病基因比较困难。通过鉴定的候选白粉病基因开发相应的共分离功能性标记(SNP、SCAR等)，可以快速的用于抗病基因的分子标记辅助选择，进行多抗性育种材料的创制，可以缩短育种年限，提高育种效率。

3)为阐述大白菜抗白粉病分子机制奠定了基础。大白菜抗白粉病基因的鉴定，通过转基因技术、RNAi、病毒诱导的基因沉默(virus induced gene silencing，VIGS)技术等研究抗白粉病的分子机制提供了基因资源，有利于快速阐述大白菜抗白粉病的作用机理。

附图说明

图1大白菜MLO基因的鉴定；

本图显示的是14个MLO型基因鉴定结果，每一个基因都含有一个‘MLO’保守结构域。

图2植物MLO基因家族的系统发育关系分析及其大白菜MLO型白粉病基因的鉴定；

拟南芥是植物科学研究的模式植物，在构建系统发育树中，拟南芥的15个MLO型基因(其中3个基因是白粉病基因：AtMLO02，AtMLO06和AtMLO12)、番茄抗白粉病基因(S1MLO)、大麦白粉病基因(HvMLO和HvMLO02)和豌豆的白粉病基因(PsMLO)被选择用来和大白菜MLO型基因聚类分析。共鉴定出1个大白菜候选的MLO型白粉病基因。图中斜体标记的基因就是候选大白菜白粉病基因。

图3大白菜MLO型白粉病基因的比对分析；

1个大白菜白粉病基因与大麦(HvMLO)、番茄(S1MLO)、豌豆(PsMLO)、拟南芥白粉病基因(AtMLO02，AtMLO06和AtMLO12)进行比对，鉴定白粉菌侵染有重要作用的氨基酸残基和区域的保守型。图中TM1-TM7表示大白菜MLO型白粉病基因的7个转模区域；黑色圆点表示对白粉菌侵染重要的氨基酸残基；CaMBD表示钙调蛋白结合区；I和II表示对白粉菌侵染重要的氨基酸区域。

具体实施方式

抗病基因的鉴定在作物抗病遗传理论研究和抗病品种选育中具有重要的作用。本方法可以快速鉴定出大白菜白粉病基因。具体实施过程如下：

1)大白菜MLO型基因的采集

为了获得大白菜全部的MLO型基因家族成员，我们首先以拟南芥的MLO型基因，番茄、豌豆、蔷薇、辣椒、百脉根的抗白粉病MLO基因序列构建HMM模型，从大白菜基因组序列中检索MLO型基因；其次以不同作物中已经发表的MLO基因序列作为靶序列(来自DFCI数据库：TC171015，TC267529，DFCI：TC327983，TC289653，TC312087，TC132500，TC133436，TC317623，TC317025，TC315947，TC325903，TC315944，TC315912，TC322759，TC322059，TC330654，TC282713，TC293173，TC281861，TC283253，TC283383，TC285032，TC290021，TC302716，TC283487，TC282866，TC283441，TC281428，TC285118，TC285090；来自GenBank数据库：AY967408，AF384145，AF384144，AY029312-AY029315，AY029317-AY029319，Z95352，AF369563-AF369565，AF369567，AF369569-AF369576，Z83834，Z95496，AY581255)，对大白菜数据库(http://brassicadb.org/brad/index.php)进行BLAST比对，选择相似度最高的序列进行下载，共获得了14条候选的MLO型基因(Bra013780，Bra031426，Bra022673，Bra000121，Bra000122，Bra019238，Bra021867，Bra017086，Bra037666，Bra018538，Bra019869，Bra016840，Bra016841，Bra036255，Bra037272，Bra037270，Bra027082，Bra024693，Bra031763，Bra031737，Bra003037，Bra002063，Bra038585)。

2)大白菜MLO型基因保守结构域的鉴定

为了进一步验证这些MLO基因准确性，我们对这14个候选MLO基因进行了保守结构域“MLO”的鉴定。以每一个候选的MLO型基因的氨基酸序列为基准，在PFAM(http://pfam.sanger.ac.uk/)网站上进行‘MLO’保守结构域的鉴定，结果表明，每一个MLO型基因都具有一个或者多个‘MLO’结构域(图1)。

3)大白菜MLO型基因的系统发育关系分析

在先前研究中，发现双子叶植物白粉病基因聚合成一个区组；因此，在构建系统发育树中，我们选择了模式植物拟南芥的15个MLO型基因(其中3个基因是白粉病基因：AtMLO02，AtMLO06和AtMLO12)、番茄抗白粉病基因、大麦白粉病基因和豌豆的白粉病基因和大白菜MLO型基因聚类分析一起聚类分析。将大白菜MLO型基因和其他作物白粉病基因蛋白质序列进行多序列联配(采用Clustal X1.83软件进行)，并利用Genedoc软件(http://www.nrbsc.org/gfx/genedoc/index.html)显示多序列联配的结果。将Clustal多序列联配的结果输出到MEGA4.0软件中，并利用此软件分别构建了邻接树(neighbor-joining，NJ)，利用Bootstrapping方法对这些进化树进行了评估。结果发现在双子叶植物抗白粉病基因区组内，存在1个大白菜候选的MLO型白粉病基因(见图2)。

4)大白菜MLO型抗病基因的比对

在大麦MLO型白粉病基因研究中，研究中相继发现了一些重要区域和单个氨基酸，它们对大麦白粉菌侵染有着不可替代的作用。为了鉴定1个候选的大白菜白粉病基因中，这些重要区域和氨基酸是否高度保守，我们对来自拟南芥的3个抗白粉病基因(AtMLO02、AtMLO6和AtMLO12)、番茄白粉病基因(SIMLO)、豌豆白粉病基因(PsMLO)进行了氨基酸序列比对分析。发现大白菜1个候选的白粉病基因与已知的MLO型白粉病基因7个跨膜区，30个重要的氨基酸残基，1个钙调蛋白结合区(CaMBD)和两个与白粉菌识别起重要作用的区域(I和II)高度保守(图3)。表明这十个基因就是大白菜MLO型抗白粉病基因。

Claims (2)

1.大白菜抗白粉病基因，其特征在于选自下列1个基因或其之一：

Bra019869

氨基酸序列：

MANQVKERTLEQTSTWAVAVVCFVLLFISIVLEHSIHKIGSWFKKKHKKALYEALEKIKAELMLMGFISLLLTIGQTPISNICISQSVASSMHPCSAADEARKYGKKVPAKQEDDGEENSGHRRLLLDLAESYIHRRSLATKGYDKCAEKGKVAFVSAYGIHQLHIFIFILAVVHIIYCIVTYALGKTKTRRWKHWENETKTIEYHYSNDPERFRFARDTSFGRRHLNFWSKTSVTLWTVCFFRQFFGSVTKVDYLALRHGFIMAHLAPGSERTFDFRKYIQKTVEEDFKTVVEISPVIWFVAVLFLLTNTNGLHSFLWLPFIPLVVILVVGTKLQVTTTKLCLRIQEKGDVVRGAPVVQPGDDLFWFGRPRFILFLIHLVLFTNAFQLAFFAWSTYEFTLRNCFYENDADVVIRIVVGVVVQILCSYVTLPLYALVTQMGSTMRPTVFNERVATAIKTWHHTAKKHTKHGKHTESNTPYTSRPTTPTHGSSPLHILNNRSVETLPSSTSPRYSDHHDHHQFWDPESQYQEAGPSTHHSLAHESSEKQPVLGSVELPPIRTTKSSRDFSFKR

核苷酸序列：

ATGGCGAATCAGGTAAAAGAGAGGACTTTAGAGCAGACCTCTACGTGGGCAGTTGCTGTGGTTTGCTTCGTGTTACTATTCATTTCCATTGTCCTTGAACATTCCATTCACAAAATTGGAAGCTGGTTTAAGAAGAAGCACAAGAAGGCTCTTTATGAAGCTCTTGAAAAGATCAAAGCAGAACTTATGCTCATGGGATTCATATCACTACTCTTAACAATCGGACAAACACCAATCTCAAACATCTGCATCTCCCAAAGCGTTGCATCATCAATGCACCCTTGCAGCGCCGCTGATGAAGCTAGAAAATACGGCAAAAAGGTTCCCGCTAAACAAGAAGACGATGGTGAAGAAAATTCCGGTCATAGAAGACTTCTCCTTGATTTAGCTGAGTCTTACATCCATAGGCGAAGTTTAGCCACCAAAGGTTATGACAAATGCGCTGAAAAGGGTAAAGTGGCTTTTGTATCTGCTTATGGTATCCACCAGCTTCATATATTCATCTTCATCCTCGCGGTGGTTCATATTATCTACTGCATTGTTACTTATGCTCTCGGAAAGACCAAGACGAGGAGGTGGAAGCACTGGGAGAATGAGACCAAGACAATAGAATATCACTATTCCAACGATCCTGAGAGGTTCAGGTTTGCCAGAGACACATCTTTCGGGAGAAGGCATCTCAATTTCTGGAGCAAGACGAGTGTTACGTTATGGACTGTGTGTTTTTTCAGACAGTTCTTTGGATCTGTCACCAAAGTTGATTACTTAGCTTTGCGGCATGGTTTCATCATGGCGCATTTGGCTCCAGGGAGTGAAAGAACATTCGATTTCCGCAAGTATATTCAGAAAACAGTAGAAGAAGACTTCAAAACAGTAGTCGAAATCAGTCCGGTTATCTGGTTTGTCGCCGTGCTATTCCTCTTGACCAACACAAACGGATTACATTCTTTCCTGTGGTTACCATTCATTCCACTTGTCGTGATTCTAGTAGTTGGAACAAAGCTTCAAGTCACTATAACCAAATTGTGTCTAAGAATCCAAGAGAAAGGTGATGTGGTGAGAGGTGCCCCTGTGGTTCAGCCTGGTGATGATCTCTTTTGGTTTGGCCGCCCTCGGTTCATCCTTTTCCTTATCCATTTGGTTCTTTTCACGAATGCATTTCAGCTTGCTTTCTTTGCCTGGAGTACGTATGAATTCACCCTCAGGAATTGTTTCTATGAGAACGATGCAGATGTGGTCATTAGAATTGTAGTTGGAGTTGTTGTACAAATACTTTGCAGCTATGTTACTCTTCCACTCTATGCTCTTGTCACTCAGATGGGTTCTACGATGAGGCCAACGGTGTTCAACGAAAGAGTAGCCACAGCGATAAAGACATGGCATCACACGGCAAAGAAGCATACAAAACACGGAAAACACACTGAATCAAACACACCTTACACTAGCCGTCCAACTACACCAACTCATGGCTCATCTCCATTGCATATTCTTAATAACCGAAGTGTTGAGACTTTACCGAGTTCTACTTCTCCTAGATACTCTGATCATCATGACCACCACCAGTTTTGGGATCCTGAGTCTCAATACCAAGAAGCTGGACCTTCCACACATCATTCTCTTGCGCACGAAAGCTCGGAAAAGCAACCTGTTCTTGGTTCCGTGGAACTTCCTCCTATACGGACTACCAAAAGCTCAAGAGATTTTTCCTTTAAGAGGTAG。

2.权利要求1所述快速鉴定大白菜白粉病基因的应用，包括：

1)携带有抗白粉病MLO基因的育种材料的创制或者新品种创制：利用权利1所给出的MLO基因源为亲本材料，在杂交、回交后代中，可以获得转育有MLO抗性基因的育种材料。

2)抗白粉病基础理论研究：对权利1的MLO型抗白粉病基因进行分子标记分析；对该基因进行分子作图或者基因定位；对该基因进行克隆以及基因间互作分析。

3)抗白粉病转基因研究：利用权利要求1所给出的MLO型白粉病基因进行转基因研究。