CN114621967A - 小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小麦类受体激酶基因TaLEMK1.1及其在抗病育种中的应用,包含所述基因TaLEMK1.1全长的开放阅读框具有如SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列。在小麦植株体内过表达小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,可显著增强小麦对条锈病病菌的抗性。本发明为小麦抗条锈品种培育提供了新的技术思路,利用小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1改良小麦及其它作物的抗病性状,可培育出抗条锈病的转基因作物新品种。
Description
技术领域
本发明属于生物工程技术领域,涉及植物类受体蛋白激酶及其编码基因的作用机理,具体涉及一种小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1及其在培育抗条锈病小麦品种中的应用。
背景技术
小麦是重要的谷类作物。其中,由条形柄锈菌小麦专化形(Puccinia striiformis f. sp. tritici,Pst)引起的小麦条锈病是小麦生产中的一类重大真菌病害,呈现出分布广、传播快、危害面积大的特点,于2020年被列入一类农作物病虫害名录。
植物在应对外界病原微生物浸染的长期进化过程中,发展并建立了一系列积极的防御机制来保护自身,即植物的天然免疫系统。目前研究认为,植物的天然免疫系统主要有两个层面,即由病原菌相关分子模式触发的PTI(PAMPs-triggered-immunity)免疫反应和效应因子触发的ETI(Effector triggered-immunity)免疫反应。PTI免疫反应由植物细胞膜表面模式识别受体(PRRs,Pattern Recognition Receptors)激活。ETI免疫反应由胞内免疫受体(NLRs,Nucleotide-binding domain and Leucine-rich Repeat)激活。同时,PTI和ETI这两层免疫系统并非互相独立,其之间相互联系,强强合作,共同构筑植物的整套防御体系。
植物类受体蛋白激酶是植物PTI免疫反应中的重要参与者,在免疫调节过程中发挥着重要作用。类受体蛋白激酶可以结合不同的分子从而识别不同的外界环境,在信号识别后引起自身构象发生改变,最终激活下游信号,导致植物产生活性氧、胼胝质等抗病成分,并引发抗病相关基因表达,从而实现植物对外界病原微生物的免疫防御。目前,小麦条锈病的防治方法以化学防治为主,使用化学农药给环境和食品安全所带来的危害已引起人们的普遍关注。抗病育种是防治小麦条锈病最为经济有效的措施之一。但抗病基因的挖掘周期长,抗病品种的培育难度大,而且条锈菌毒性变异快,导致该病害在防治中一直难以实现持久的控制。因此,创制广谱、持久的抗病材料是防控小麦条锈病的根本途径和关键技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题:传统抗病育种存在生殖隔离和远缘杂交不亲和性,在较短培育周期内难以实现目标性状的定向改良;同时,条锈菌毒性变异快,致使小麦条锈病持久防控在当前技术条件下尚存在诸多困难。
针对现有技术存在的问题,本发明旨在进一步探索小麦天然免疫防御机制,挖掘在条锈菌入侵小麦的防御反应中起正调控作用的抗病基因,通过开展基因功能研究,为利用该抗病基因创制小麦抗病材料防控小麦条锈病提供新路径。
本专利发明人从小麦条锈菌诱导的小麦叶片cDNA文库中成功分离克隆出一种小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1。本发明给出了包含所述基因TaLEMK1.1全长的开放阅读框,所述开放阅读框具有如SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列。
本发明验证了TaLEMK1.1基因在条锈菌侵染下的表达谱,据此得出所述基因TaLEMK1.1受小麦条锈病病菌浸染诱导表达。
进一步地,所述基因TaLEMK1.1及其编码的小麦类受体蛋白激酶TaLEMK1.1与小麦抗条锈病免疫调控相关。
所述基因TaLEMK1.1在小麦抗条锈病免疫反应中具有正调控作用。小麦植株对外源病菌的防御能力或程度与所述基因TaLEMK1.1的表达量正相关,即过表达所述基因TaLEMK1.1可增强小麦对条锈病病菌的抗性。
采用RNA干扰技术沉默TaLEMK1.1基因的表达,小麦对条锈菌的抗病性出现降低。进一步得出,所述基因TaLEMK1.1具有核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示的特异性基因片段,沉默所述特异性基因片段可降低所述基因TaLEMK1.1的表达量。
所述基因TaLEMK1.1是小麦类受体蛋白激酶TaLEMK1.1的编码基因,其在植物体内过量表达时,可以通过增强植物的PTI途径赋予植物一定的抗病性。由此,本发明进一步给出一种小麦类受体蛋白激酶TaLEMK1.1,其由所述的基因TaLEMK1.1编码。小麦类受体蛋白激酶TaLEMK1.1是一种跨膜蛋白,与小麦抗条锈病免疫调控相关。
如上所述,基因TaLEMK1.1在小麦抗条锈病的防御反应中起正调控作用,可以利用该基因改良小麦及其他作物的抗病性状,培育出抗病转基因植物新品种。为此,本发明请求保护所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,以及所述的小麦类受体蛋白激酶TaLEMK1.1在小麦抗条锈品种培育中的应用。本领域普通技术人员结合现有技术,可以实现所述基因TaLEMK1.1在小麦植株体内的过量表达,提高小麦植株对外源病菌的防御能力或程度。
为利用所述基因TaLEMK1.1及其编码的小麦类受体蛋白激酶TaLEMK1.1创制小麦抗病材料,本发明提供了一种小麦抗条锈品种培育方法。该方法实现在小麦植株体内过表达所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,增强小麦对条锈病病菌的抗性。
还有,基于本发明的记载,本发明还请求保护一种表达载体,其包含所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1全长的开放阅读框,所述开放阅读框具有如SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列。为进一步拓展所述基因TaLEMK1.1的应用领域或途径,本发明还请求保护一种表达载体,其包含所述基因TaLEMK1.1具有核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示的特异性基因片段。
为了完整无异议地理解本发明的技术方案,需要补充说明的是,本发明所述小麦类受体蛋白激酶用非倾斜字体“TaLEMK1.1”表示,小麦类受体蛋白激酶基因用倾斜字体“TaLEMK1.1表示。当然,本领域普通技术人员根据本发明的记载,可以清楚、完整地理解相关基因及其编码蛋白的含义与表述。
与现有技术相比,本发明“小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1及其应用”具有下述的有益效果或优点:
与传统抗病育种技术相比,植物抗病基因工程技术可以突破物种间的生殖隔离和远缘杂交不亲合性,在较短的时间内实现目标性状的定向改良,给作物提供更为全面、持续、广谱的保护。本发明通过基因功能研究,发现小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1在条锈菌入侵小麦的防御反应中起正调控作用,即TaLEMK1.1基因的过表达能够提高小麦抗条锈病的能力。所述基因TaLEMK1.1在植物体内过量表达时,可以通过增强植物的PTI途径赋予植物一定的抗病性。
本发明提供了一种小麦抗条锈品种培育方法。该方法借助基因工程技术,在小麦植株体内过表达所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,增强小麦对条锈病病菌的抗性。经验证,采用本发明方法获得的转基因小麦对条锈菌主要的流行小种表现出抗性。本发明为从分子生物学角度开展小麦抗条锈品种培育提供了新的技术思路,有效解决了本发明的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将本发明实施例中所涉及附图做简单的说明,显而易见地,所列出的附图仅仅是本发明实施例的一部分内容的呈现。
图1是小麦品种水源11接种条锈菌生理小种CYR23后,小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1在不同时间点的表达谱分析图。Incompatible为非亲和,表现为叶片产生强烈的细胞坏死表型;hpi(hours post inoculation)代表接种后。
图2是T3代小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1过量表达纯合植株株系L6和L8的DNA分子检测图。WT(wild type)为野生型Fielder植株对照,PC(positive control)为阳性对照。
图3是T3代小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1过量表达纯合植株株系L6和L8的RT-PCR结果。WT(wild type)为野生型Fielder植株对照。
图4是T3代小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1过量表达纯合植株株系L6和L8,接种条锈菌生理小种CYR31的表型鉴定结果图。WT(wild type)为野生型Fielder植株对照。
图5是T3代小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1过量表达纯合植株株系L6和L8,接种条锈菌生理小种CYR31的表型中孢子统计分析结果图。
图6是采用RNA干扰技术,T3代小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1表达沉默纯合植株株系R1和R4的DNA分子检测图。WT(wild type)为野生型Fielder植株对照,PC(positive control)为阳性对照。R1和R4分别代表RNAi-1株系和RNAi-4株系。
图7是T3代小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1表达沉默纯合植株株系R1和R4的表型图。CYR23(China Yellow Rust 23,即中国条锈病23号生理小种),WT(wild type)为野生型Fielder植株对照,R1和R4分别代表RNAi-1株系和RNAi-4株系。
图8是T3代小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1表达沉默纯合植株株系R1和R4,在未接种即0小时(0h)以及条锈菌CYR23接种后24小时(24h)、48小时(48h)的沉默效率分析结果图。WT(wild type)为野生型Fielder植株对照,R1和R4分别代表RNAi-1株系和RNAi-4株系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明的保护范围。
实施例1
本实施例描述小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1的分离克隆。
以正常土培的小麦品种水源11为材料,在小麦幼苗二叶一心期采用毛笔接种的方法接种条锈菌生理小种CYR23并进行保湿,接种后0小时、6小时、12小时、24小时、48小时分别进行实验组和对照组的取样,并液氮保存。
待14天后确认小麦叶片表型(叶片表现为典型的过敏性细胞坏死),提取样品总RNA。总RNA的提取方法采用Trizol试剂(购自Invitrogen),并进行RNA的纯化。
采用逆转录酶M-MLV(购自Thermo scientific)将总RNA逆转录合成cDNA第一链,反应条件为:42℃,60min;70℃,5min。然后,从每个时间点样品的cDNA取出一定量混合成总模板,利用TaLEMK1.1基因特异性引物F1(5' ATGGGGGCGCGGAGGAT 3')和R1(5'TTAAGTCGCAAAATGTCTCAAGCTA 3')进行PCR扩增,扩增出含有TaLEMK1.1基因全长编码框的DNA片段,反应条件为:95℃预变性5min;95℃ 30sec,60℃ 30sec,72℃ 3min,32个循环;72℃补充延伸5min。
将获得的PCR扩增产物进行T连接,构建到pGEM-T载体(购自TaKaRa),转化大肠杆菌DH5α感受态细胞(购自TaKaRa),筛选检测出阳性克隆并过夜摇菌,提取质粒命名为TaLEMK1.1-T,测序(由杨凌奥科生物技术公司开展)得核苷酸序列如SEQ ID NO:1所示。
实施例2
本实施例描述小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1的表达谱分析。在实施例1的基础上,采用实时荧光定量PCR技术,分析TaLEMK1.1基因在条锈菌侵染下的表达谱。
以提取的不同时间点样品的小麦-条锈菌互作cDNA为模板,以小麦延伸因子基因为内参基因(qRT-TaEF-F:5’ TGGTGTCATCAAGCCTGGTATGGT 3’和qRT-TaEF-R:5’ACTCATGGTGCATCTCAACGGACT 3’),利用TaLEMK1.1基因特异性引物(TaLEMK1.1-F:5’ATGGCTCTTACGAGAATCACAA 3’和TaLEMK1.1-R: 5’ AATCAGGAACTCTCCCAGATAAAT 3’)进行实时荧光定量PCR,反应条件为:95℃预变性3min;95℃ 15sec,60℃ 30sec,72℃ 45sec,40个循环。
图1呈现了小麦品种水源11接种条锈菌生理小种CYR23后,小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1在不同时间点的表达谱。由此可以获知,TaLEMK1.1基因能被条锈菌CYR23侵染所诱导,说明TaLEMK1.1基因是一个与小麦抗病防御反应相关的基因。
实施例3
本实施例描述TaLEMK1.1基因过量表达的转基因小麦的培育和其抗病性鉴定。
以测序正确的TaLEMK1.1-T质粒为模板,通过同源重组的方法将TaLEMK1.1全长基因构建到pANIC6E载体,形成TaLEMK1.1-pANIC6E重组质粒并测序。
将测序正确的TaLEMK1.1-pANIC6E重组质粒转化农杆菌菌株EHA105。以小麦品种Fielder愈伤组织为转化受体,采用农杆菌侵染法将TaLEMK1.1基因过表达载体导入到受体材料中,经过卡纳霉素抗性愈伤组织的筛选、预再生、再生、生根等步骤产生T0代转基因植株。
T0代转基因植株自交产生后代,选取两个独立的TaLEMK1.1过量表达转基因纯合株系进行抗条锈病鉴定。图2给出了T3代小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1过量表达纯合植株株系L6和L8的DNA分子检测图。图3给出了T3代小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1过量表达纯合植株株系L6和L8的RT-PCR结果。图2和图3说明了TaLEMK1.1基因被成功的转入到小麦材料中,并且产生了相对野生型更高的TaLEMK1.1转录表达量。
将T3代TaLEMK1.1过表达转基因材料浸种催芽后穴播于15×15×12cm花盆中,同时播种野生型材料Fielder作为对照。在培养箱中,按照16℃/10℃温差以及16h/8h的光照/黑暗周期培养,待幼苗第二叶片展平时接种条锈菌毒性小种CYR31。16℃暗房保湿24h,再移至正常光照下培养。14d后进行表型拍照和统计,实验重复3次。
使用ImageJ软件对过表达株系L6、L8以及野生型Fielder植株(各30片叶子)的叶面孢子数进行统计,野生型植株在每平方厘米的孢子数有159个,而L6株系和L8株系分别有51和48个(如图4和图5所示)。结果分析表明,TaLEMK1.1基因过量表达转基因小麦叶片上的发病孢子数目明显少于野生型对照植株(t检验P值均小于0.001),TaLEMK1.1基因过量表达能够增强小麦对于条锈病的抗性。
实施例4
本实施例描述TaLEMK1.1基因沉默表达转基因小麦的培育和其抗病性鉴定。
通过序列比对(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)及特异性分析,发现TaLEMK1.1基因位于N段的一段序列的基因片段(核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示)特异性较高,因此,以此特异性基因片段为基础构建TaLEMK1.1基因沉默载体。
TaLEMK1.1基因沉默载体的构建过程参照实施例3。以条锈菌-小麦互作的cDNA文库为模板,以TaLEMK1.1基因特异性引物扩增出代表TaLEMK1.1基因的特异性沉默片段,即SEQ ID NO:2。将其通过同源重组方式分别插入pANIC8E载体的2个位置(一个片段为正向插入,另一个为反向互补插入,从而可以形成发卡结构)。将测序正确的重组质粒转化农杆菌EHA105菌株。
同样,通过农杆菌介导的转化法将TaLEMK1.1基因沉默载体导入小麦品种Fielder受体材料,获得转基因植株。具体方法参照实施例3。选取两个独立的TaLEMK1.1基因沉默转基因纯合株系(RNAi 1株系,即R1;RNAi 4株系,即R4)进行抗条锈病鉴定,病菌接种方法参照实施例3,不同之处是采用无毒性的条锈菌生理小种CYR23。图6说明所构建的沉默载体pANIC8E成功导入到小麦材料中。
对R1和R4两个株系在接种条锈菌CYR23小种14天后进行表型观察发现,与野生型相比,R1和R4的叶片表面的孢子数目明显增多(如图7所示)。同时对这两个株系进行沉默效率测定发现,TaLEMK1.1的表达量在未接菌0小时,以及接菌后24小时、48小时均比对照组显著减少,说明该基因确实被有效沉默(如图8所示)。
这些结果表明沉默TaLEMK1.1基因后小麦对条锈菌的抗病性显著降低。通过本实施例证实了TaLEMK1.1基因正调控小麦对条锈菌的抗病性。
综上,本发明从条锈菌诱导的小麦叶片cDNA文库中成功分离克隆出包含TaLEMK1.1基因全长的开放阅读框(核苷酸序列如SEQ ID NO.1所示)。采用实时荧光定量PCR技术,分析TaLEMK1.1基因在条锈菌侵染下的表达谱,得出TaLEMK1.1基因的表达受条锈菌生理小种CYR23影响显著。在小麦中过量表达TaLEMK1.1基因,转基因植株对条锈菌的抗性得到极大提高。而采用RNA干扰技术沉默TaLEMK1.1基因的表达,小麦对条锈菌的抗性降低。因此,TaLEMK1.1基因在小麦抗条锈病的防御反应中起正调控作用,可以利用该基因改良小麦及其他作物的抗病性状,培育出抗病转基因植物新品种。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
序列表
<110> 西北农林科技大学深圳研究院
<120> 小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1及其应用
<160> 2
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 3036
<212> DNA
<213> 质粒TaLEMK1.1-T(2 Ambystoma laterale x Ambystoma jeffersonianum)
<400> 1
atgggggcgc ggaggatgcc atgcgcatgc ggctggagac tgctcttctt ccttgggctg 60
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ccatatagag gattttatgg ccctctaata tctgcaatat cagtaactcc aaacttccag 1800
attcctttgg ctgttgaacc tccccaaact gggagtagaa cgaaaatttc aaggacatct 1860
aaagctttgc tgattggagg cccaattatt gcgatattca ctgctcttgt tgttggtatc 1920
tggattaagc gacgacggaa gaacttggtg aatcaagatc tccgggcact tgacctccaa 1980
attggctcat ttaccttgag acaaatcaaa gcagcaacga gaaactttga tccagccaac 2040
aagattggcg aaggtggttt tggttcagtt tacaagggtt cgttgtccga tggcaccatt 2100
attgctgtca aacagctatc atcaaagtcc aagcaaggga atcgtgaatt tgtgaatgag 2160
ataggcatga tatctgcact ccagcatcca aaccttgtca ggctgtatgg ctgttgtaca 2220
gagggaaacc agctcttgct agtttacgag tacatggaaa ataattgcct tgcgcgtgct 2280
ctctttgttg aagaatatag actggcattg gattggccaa cgagacgtaa gatttgcctg 2340
ggaatagcaa ggggtctggc atatctgcat gaggagtctg caataaggat tgtgcaccga 2400
gatatcaagg ctagcaatat actgcttgac aaagatttgg atgctaagat ctcagatttt 2460
ggtctagcaa agcttaatga agatggtcac acccacataa gcacaaaagt agctggaaca 2520
attggataca tggctcctga gtatgcaatg cgtggttatt tgacagacaa agctgatgtt 2580
tacagttttg gggttgttgc tttggaaatc gtgagtggaa aaagcaacac aaactacagg 2640
ccaaaggaag attttgttta tcttctcgat tgggcttgtg ttttacatga gagaggaact 2700
ctcctggagc tggtagatcc agacttagga tccaattact caacagaaga ggcactcctc 2760
atgctgaatg tggctctctt atgcaccaac gcagcaccga cacttagacc aaagatgtcc 2820
aacgcggtga gcctgctcga gggccatacc cccctgcaac ccttcctatc agaactcagc 2880
cttgctgcaa acagcctgag ctcaagtggt ctacgcagaa acttctggga aaatccaagt 2940
gagagccaga gcataacggc acaagtatca tgtaacaaca ccagtgactc gtcatcttta 3000
gatgttgatg gtagcttgag acattttgcg acttaa 3036
<210> 2
<211> 260
<212> DNA
<213> 2 Ambystoma laterale x Ambystoma jeffersonianum
<400> 2
tcgtctccag gggttgatgc cctccctcct acctctaggc tcttccctgc tgaagtgcgc 60
actcttcgcc ggatcgcggt gaatatggga atatcgcatt ggaacttctc cgccaatccg 120
tgtggctccg gcggcggctt ggagtgtgac tgctccttcg acaacaatac catgtgccat 180
gccactgaga tattcctcag gggccagaac ttcaccggcc agctcccacc agattttgct 240
gatctcccta atctcctcca 260
Claims (10)
1.一种小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,其特征在于,包含所述基因TaLEMK1.1全长的开放阅读框,所述开放阅读框具有如SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列。
2.根据权利要求1所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,其特征在于,所述基因TaLEMK1.1受小麦条锈病病菌侵染诱导表达。
3.根据权利要求1所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,其特征在于,所述基因TaLEMK1.1及其编码的小麦类受体蛋白激酶TaLEMK1.1与小麦抗条锈病免疫调控相关。
4.根据权利要求3所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,其特征在于,所述基因TaLEMK1.1在小麦抗条锈病免疫反应中具有正调控作用。
5.根据权利要求4所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,其特征在于,过表达所述基因TaLEMK1.1可增强小麦对条锈病病菌的抗性。
6.根据权利要求1所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,其特征在于,所述基因TaLEMK1.1具有核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示的特异性基因片段,沉默所述特异性基因片段可降低所述基因TaLEMK1.1的表达量。
7.一种小麦类受体蛋白激酶TaLEMK1.1,其由权利要求1所述的基因TaLEMK1.1编码。
8.权利要求1所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1或权利要求7所述的小麦类受体蛋白激酶TaLEMK1.1在小麦抗条锈品种培育中的应用。
9.一种小麦抗条锈品种培育方法,其特征在于,在小麦植株体内过表达权利要求1所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1,增强小麦对条锈病病菌的抗性。
10.一种表达载体,其特征在于,包含权利要求1所述的小麦类受体蛋白激酶基因TaLEMK1.1全长的开放阅读框,所述开放阅读框具有如SEQ ID NO:1所示的核苷酸序列;或包含所述基因TaLEMK1.1具有核苷酸序列如SEQ ID NO:2所示的特异性基因片段。
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