CN114480479B - 一种与植物抗病性相关的基因OsERF65的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了OsERF65基因在调控水稻纹枯病抗性中的应用。本发明还公开了一种培育抗病性提高的转基因水稻的方法,包括降低受体水稻中OsERF65基因的表达量和/或活性,得到转基因水稻;所述转基因水稻的抗病性高于所述受体水稻。本发明通过对OsERFs家族进行纹枯病抗性鉴定及表达模式分析,发现过量表达其中一个基因OsERF65会降低水稻纹枯病抗性,而抑制该基因的表达量会增强水稻纹枯病抗性。进一步比较了OsERF65过表达系和敲除系与对照品种间的主要农艺性状,发现OsERF65不影响水稻的主要农艺性状,表明OsERF65在抗纹枯病育种方面具有重要应用价值。

Description

一种与植物抗病性相关的基因OsERF65的应用
技术领域
本发明属于植物基因工程技术领域,具体涉及一种与植物抗病性相关的基因OsERF65的应用。
背景技术
纹枯病是水稻三大病害之一,由于抗纹枯病基因资源匮乏及抗病机理研究滞后,抗纹枯病育种一直进展缓慢。发掘抗纹枯病基因可为抗纹枯病分子育种提供基因资源和理论基础。
ERF是植物特有的且位于乙烯信号途径下游的一类转录因子,含有一个由大约60个氨基酸组成的较为保守的DNA结合域,即AP2结构域。除DNA结合域,每个成员还含有核定位信号域(NLS)和转录调控域,部分成员还具有寡聚化位点及磷酸化修饰位点,在植物体内起着激活或抑制基因表达的作用。参与植物抗病反应的ERF基因多属于Ⅸ亚族。水稻中大约有18个Ⅸ亚族ERF转录因子,这类ERF转录因子可以利用自身的AP2结构域,特异地结合PR(Pathogen Related)基因启动子区的GCC-box(AGCCGCC)顺式元件,进而调控PR基因的表达,包括β-1,3-葡聚糖酶(PR-2)、几丁质酶(PR-3)、渗调蛋白(PR-5)和防御素(PR-12)等。其中,PR-5已被证实直接参与调控水稻对纹枯病菌的抗性,超表达OsOSM1(PR-5)可以一定程度上提高转基因水稻对纹枯病的抗性;此外,将编码几丁质酶的PR-3转入感病水稻品种TP309,也可以显著改善TP309对纹枯病耐受性。然而,有关OsERF65基因与水稻纹枯病抗性间的关系,尤其是通过基因工程技术改变OsERF65基因增强水稻对纹枯病抗性的研究,迄今未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种与植物抗病性相关的基因OsERF65的应用。
为解决上述技术问题,本发明提供了OsERF65基因在调控植物抗病性中的应用。
本发明还提供了与OsERF65基因相关的生物材料在调控植物抗病性中的应用;或
与OsERF65基因相关的生物材料在培育抗病性提高的转基因植物中的应用;或
与OsERF65基因相关的生物材料在植物育种中的应用。
上述应用中,所述OsERF65基因的全长序列如SEQ ID NO:1所示;所述OsERF65基因的CDS序列如SEQ ID NO:2所示。
进一步地,所述生物材料为下述A1)至A4)中的任一种:
A1)OsERF65基因编码的蛋白质,所述蛋白质的氨基酸序列如SEQ ID NO:3所示;
A2)含有OsERF65基因的重组载体;
A3)含有OsERF65基因的重组微生物;
A4)含有OsERF65基因的转基因植物细胞系。
进一步地,所述载体为质粒、黏粒、噬菌体或病毒载体;所述微生物可为酵母、细菌、藻或真菌;所述转基因植物细胞系不包括繁殖材料。
进一步地,所述抗病性为纹枯病抗性。所述调控具体体现在:当植物中的OsERF65基因的活性和/或含量降低时,所述植物对纹枯病的抗性提高;当植物中的OsERF65基因的活性和/或含量提高时,所述植物对纹枯病的抗性降低。
上述应用中,所述植物可为单子叶植物或双子叶植物。所述单子叶植物具体可为水稻;所述水稻品种具体可为徐稻3号(XD3)。
上述应用中,所述植物育种具体可为创制水稻纹枯病抗性新种质。
本发明最后提供了一种培育抗病性提高的转基因水稻的方法,包括降低受体水稻中OsERF65基因的表达量和/或活性,得到转基因水稻;所述转基因水稻的抗病性高于所述受体水稻。
进一步地,所述抗病性为纹枯病抗性。
进一步地,所述转基因水稻的抗病性高于所述受体水稻具体体现在转基因水稻的纹枯病病斑长度小于受体水稻。
进一步地,所述降低受体水稻中OsERF65基因的表达量和/或活性的方法是通过对所述受体水稻中OsERF65基因进行敲除来实现的。
上述方法中,所述降低受体水稻中的OsERF65基因表达量和/或活性的主要步骤如下:
(1)设计基因敲除靶点;
(2)SgRNA盒的扩增。以pYLgRNA-OsU6a/LacZ质粒为模板,在两个反应体系中分别进行OsU6a-靶点片段和gRNA-靶点片段的扩增;
(3)构建p-cas9/gRNA敲除载体;
(4)挑选阳性克隆并测序证实;阳性克隆质粒和终载体质粒混合进行重组反应;
(5)PCR及质粒酶切验证阳性克隆;
(6)重组型阳性质粒转入农杆菌;
(7)阳性农杆菌单克隆的验证和保存。
在实验操作过程中,总RNA的提取选自4-5叶期的日本晴幼苗整株组织(以叶片为株),按照Trizol法(Invitrogen公司)进行;总cDNA的合成使用PrimeScript RT reagentKit With gDNA Eraser试剂盒(TaKaRa公司)进行;重组质粒的提取使用E.Z.N.A.TMPlasmid Midi Kit试剂盒(OMEGA公司)进行。增强受体水稻中的OsERF65基因表达量和/或活性是采用高保真DNA聚合酶扩增获得水稻类甜蛋白(thaumatin-like proteins,TLPs)(命名为OsTLP)的全长编码区序列,通过KpnI和BamH I将目标基因导入由强启动子Ubi启动的超表达载体pCAMBIA1300。
上述方法中,所述受体水稻品种具体可为徐稻3号(XD3)。
本发明所达到的有益效果:
本发明通过实时定量PCR检测结果显示OsERF65主要在叶鞘中高表达,这与水稻纹枯病主要危害叶鞘的特点相吻合(如图1C),并且OsERF65基因的表达能在纹枯病菌侵染后被诱导上调(如图1A所示),暗示OsERF65基因与水稻纹枯病抗性密切相关。
本发明通过纹枯病抗性鉴定显示转基因过表达株系纹枯病病斑长度显著高于野生型,敲除株系纹枯病病斑长度显著低于野生型。综合上述结果表明,OsERF65基因负调控水稻纹枯病抗性。
本发明通过对OsERFs家族进行纹枯病抗性鉴定及表达模式分析,发现过量表达其中一个基因OsERF65会降低水稻纹枯病抗性,而抑制该基因的表达量会增强水稻纹枯病抗性。进一步比较了OsERF65过表达系和RNA敲除系与对照品种间的主要农艺性状,发现OsERF65不影响水稻的主要农艺性状,表明OsERF65在抗纹枯病育种方面具有重要应用价值。
附图说明
图1为水稻中OsERF65基因的表达模式。A为OsERF65基因在纹枯病菌接种处理后表达模式。B为不同生育期下的OsERF65的表达模式。C为OsERF65基因在水稻各组织中的表达模式。
图2为OsERF65基因的过表达株系及野生型对照的温室成株期纹枯病杭感表型。A为过表达株系接种前OsERF65基因的表达量分析。B为温室分蘖末期接种后5,10,15天病斑长度;C为温室成株期接种后10天的表型。
图3为OsERF65基因的敲除系及野生型对照的温室成株期纹枯病杭感表型。A为温室分蘖末期接种后5,10,15天病斑长度;B为OsERF65敲除系与WT测序碱基变化;C为OsERF65敲除系与WT氨基酸变化;D为温室成株期接种后10天的表型。
图4为转基因株系及野生型对照的穗部表型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
下述实施例中的实验方法,如无特殊说明,均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料,如无特殊说明,均为自常规生化试剂商店购买得到的。以下实施例中的定量试验,均设置三次重复实验,结果取平均值。
通过qRT-PCR表达分析,本发明鉴定到了水稻叶鞘中特异表达的OsERF基因—OsERF65(Os07g0617000),其位于第7染色体上,全长1878bp,有1个内含子,其中编码序列(coding sequence,CDS)编码343个氨基酸。在纹枯病菌侵染后,本发明发现该基因受到极显著的诱导表达,暗示OsERF65基因与水稻纹枯病抗性密切相关。进一步,利用超表达技术增强OsERF65基因的表达量以及Crispr/cas9技术降低OsERF65基因的表达量,证实了该基因可以负调控水稻对纹枯病抗性,并对转基因系的纹枯病抗性和农艺性状进行考察,获得了对纹枯病抗性显著提高的水稻新材料。
实施例1:OsERF65基因的表达特征分析
取水稻品种徐稻3号不同生育期样品,放入液氮保存。将徐稻3号在正常条件下培养至分蘖末期接种纹枯病菌,分别在接种前(0h)及接种后12h、24h及48h剪取接种物上下1cm区段水稻叶鞘,放入液氮保存。依据说明书的步骤(Invitrogen公司),用Trizol提取各水稻样品总RNA,再用DNaseI(RNase free,Promega公司)消化总RNA以去除基因组DNA污染(方法参见DNaseI说明书),继而用逆转录酶(TaKaRa公司)将总RNA逆转录合成cDNA第一链(方法参见逆转录酶说明书),反应条件为:37℃,30min;85℃,5min;4℃,forever。以cDNA为模板,以水稻Actin基因作为内参基因(Actin基因扩增引物F1:5’—CTTCATAGGAATGGAAGCTGCGGGTA—3’和R1:5’—CGACCACCTTGATCTTCATGCTGCTA—3’),利用OsERF65基因特异性定量引物(QERF65-F:5’—GATCAAGATGCAAGGACAACGC—3’,QERF65-R:5’—GCTGCATGTAGCTCGGATCG—3’)进行实时定量PCR,反应条件为:95℃预变性2min,然后进入下列循环:95℃30sec,60℃30sec,72℃20sec共进行40个循环。
通过实时定量PCR检测结果显示OsERF65主要在叶鞘中高表达,这与水稻纹枯病主要危害叶鞘的特点相吻合(如图1C),并且OsERF65基因的表达能在纹枯病菌侵染后被诱导上调(如图1A所示),暗示OsERF65基因与水稻纹枯病抗性密切相关。
实施例2载体构建、遗传转化及检测
敲除载体的构建主要步骤如下:(1)设计基因敲除靶点;(2)SgRNA盒的扩增。以pYLgRNA-OsU6a/LacZ质粒为模板,在两个反应体系中分别进行OsU6a-靶点片段和gRNA-靶点片段的扩增。(3)构建p-cas9/gRNA敲除载体;(4)挑选阳性克隆并测序证实;阳性克隆质粒和终载体质粒混合进行重组反应;(5)PCR及质粒酶切验证阳性克隆;(6)重组型阳性质粒转入农杆菌;(7)阳性农杆菌单克隆的验证和保存。在实验中获得了两个转基因株系,分别命名为OsERF65-KO3、OsERF65-KO4。
过表达载体的构建主要步骤如下:采用高保真DNA聚合酶扩增获得水稻类甜蛋白(thaumatin-like proteins,TLPs)(命名为OsTLP)的全长编码区序列,通过KpnI和BamH I将目标基因导入由强启动子Ubi启动的超表达载体pCAMBIA1300。其中RNA、cDNA及质粒的提取方法和上述敲除载体构建中使用的方法一致。通过农杆菌介导法将上述植物表达载体转入江苏省推广品种徐稻3号中,通过Western blot和qRT-PCR获得了8个独立的T0代转基因植株。本发明从中挑选3个转基因系,命名为OsERF65-OX1、OsERF65-OX4、OsERF65-OX6。
实施例3转基因水稻的纹枯病抗性鉴定
纹枯病抗性鉴定采用牙签嵌入法接种,菌株由扬州大学植保系提供的中强致病菌株YN-7。针对温室成株期抗性鉴定,本发明用转基因株系和对照野生型各3株放置室外培养至分蘖末期,然后在温室高温高湿条件下进行接种,调查接种后5天、10天和15天的病斑长度。
结果显示转基因过表达株系纹枯病病斑长度显著高于野生型(图2A,B,C),敲除株系纹枯病病斑长度显著低于野生型(图3A,B,C)。综合上述结果表明,OsERF65基因负调控水稻纹枯病抗性。
实施例4转基因水稻植株的农艺性状考察
于水稻成熟期调查转基因系的农艺性状,以株为单位测量各小区的主要农艺性状,包括株高、叶长、叶宽、分蘖数、穗长、剑叶长、剑叶宽;并将转基因系种子收回实验室进行考种,调查农艺性状指标有粒长、粒宽、千粒重等,结果如表1和图4所示。
表1转基因株系及野生型对照的相关农艺性状
研究显示(表1和图4),三个OsERF65-OX水稻系和两个敲除系与野生型对照在各农艺性状上均没有显著差异。这些结果表明对OsERF65基因进行过表达或敲除,不会影响水稻的主要农艺性状。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
序列表
<110> 扬州大学
<120> 一种与植物抗病性相关的基因OsERF65的应用
<160> 3
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 1878
<212> DNA
<213> 人工序列(Artificial Sequence)
<400> 1
accaaccatt atgctaatgc tgtctcatat ctaatgtgtg ttaatagttt attagctctc 60
caagaacaat ccaatcttca gtagtacaaa tatatgagag agcacaaagc ttcaagcctc 120
cttcagacta caagccatta aacagagacg accaacgact taaccacact tcttctttgt 180
gctgtccaac ctccattgtt gggtgtgaaa gctttggctc atctgccatg tgtggaggat 240
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gagacgccgg caagggtaga gatggtggcg acggcttgaa gaagaggaag gggagttctt 360
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agtttgagga tgactatggc gatgatgatg atgtgggttt cggggacgac gaccaaggtt 480
ggtattactg tacaaatctt catttttcct atcaattttt tttcaccttt tcatttactt 540
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gaagttaagt ttttacaaaa tgaaaatcat aagcacctga aatttctaga taatttagat 660
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ggccatgggg gaaatgggcg gcggagatca gggacccccg caagggcgtc cgcgtctggc 960
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20 25 30
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85 90 95
Thr Thr Lys Leu Gly Leu Gly Gly Ser Arg Lys Arg Lys Thr Arg Tyr
100 105 110
Arg Gly Ile Arg Gln Arg Pro Trp Gly Lys Trp Ala Ala Glu Ile Arg
115 120 125
Asp Pro Arg Lys Gly Val Arg Val Trp Leu Gly Thr Phe Gly Thr Ala
130 135 140
Glu Glu Ala Ala Met Ala Tyr Asp Val Glu Ala Arg Arg Ile Arg Gly
145 150 155 160
Lys Lys Ala Lys Val Asn Phe Pro Asp Ala Ala Ala Ala Ala Pro Lys
165 170 175
Arg Pro Arg Arg Ser Ser Ala Lys His Ser Pro Gln Gln Gln Lys Ala
180 185 190
Arg Ser Ser Ser Ser Ser Pro Ala Ser Leu Asn Ala Ser Asp Ala Val
195 200 205
Ser Lys Ser Asn Asn Asn Arg Val Ser Ser Ala Gly Ser Ser Thr Asp
210 215 220
Ala Thr Ala Ala Ala Ile Ala Ile Asp Asp Gly Val Lys Leu Glu Leu
225 230 235 240
Leu Ser Glu Thr Asp Pro Ser Pro Pro Met Ala Ala Ala Ala Ala Ala
245 250 255
Trp Leu Asp Ala Phe Glu Leu Asn Asp Leu Asp Gly Ser Arg Cys Lys
260 265 270
Asp Asn Ala Phe Asp His Gln Ile His Lys Val Glu Ala Ala Val Ala
275 280 285
Asp Glu Phe Ala Phe Tyr Asp Asp Pro Ser Tyr Met Gln Leu Gly Tyr
290 295 300
Gln Leu Asp Gln Gly Asn Ser Tyr Glu Asn Ile Asp Ala Leu Phe Gly
305 310 315 320
Gly Glu Ala Val Asn Ile Gly Gly Leu Trp Ser Phe Asp Asp Met Pro
325 330 335
Met Glu Phe Arg Ala Tyr
340

Claims (9)

1.OsERF65基因在调控水稻纹枯病抗性中的应用,所述OsERF65基因的全长序列如 SEQID NO:1所示;所述OsERF65基因的CDS序列如SEQ ID NO:2所示。
2.与OsERF65基因相关的生物材料在调控水稻纹枯病抗性中的应用;所述OsERF65基因的全长序列如 SEQ ID NO:1所示;所述OsERF65基因的CDS序列如SEQ ID NO:2所示。
3.根据权利要求2所述的应用,其特征在于,所述生物材料为下述A1)至A4)中的任一种:
A1) OsERF65基因编码的蛋白质,所述蛋白质的氨基酸序列如SEQ ID NO:3所示;
A2)含有OsERF65基因的重组载体;
A3)含有OsERF65基因的重组微生物;
A4)含有OsERF65基因的转基因植物细胞系。
4.根据权利要求3所述的应用,其特征在于,所述载体为质粒、黏粒、噬菌体或病毒载体;所述微生物可为酵母、细菌、藻或真菌。
5.降低受体水稻中OsERF65基因的表达量和/或活性在培育纹枯病抗性提高的转基因水稻中的应用;所述OsERF65基因的全长序列如 SEQ ID NO:1所示;所述OsERF65基因的CDS序列如SEQ ID NO:2所示。
6.降低受体水稻中OsERF65基因的表达量和/或活性在水稻纹枯病抗性育种中的应用;所述OsERF65基因的全长序列如 SEQ ID NO:1所示;所述OsERF65基因的CDS序列如SEQ IDNO:2所示。
7.一种培育抗病性提高的转基因水稻的方法,其特征在于,包括降低受体水稻中OsERF65基因的表达量和/或活性,得到转基因水稻;所述转基因水稻的抗病性高于所述受体水稻;所述抗病性为纹枯病抗性。
8.根据权利要求7所述的方法,其特征在于,所述转基因水稻的抗病性高于所述受体水稻,具体体现在转基因水稻的纹枯病病斑长度小于受体水稻。
9.根据权利要求7或8所述的方法,其特征在于,所述降低受体水稻中OsERF65基因的表达量和/或活性的方法是通过对所述受体水稻中OsERF65基因进行敲除来实现的。
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转化双价防卫基因获得抗纹枯病水稻;毛碧增,李德葆,李群,何祖华;植物生理与分子生物学学报(第04期);全文 *

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