两个水稻近等基因系在不同白叶枯病菌侵染下的转录组分析

摘要

水稻黄单胞菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae，Xoo)引起的白叶枯病(Bacterial blight，BB)对全球大部分水稻来说都是一种毁灭性病害。Xoo通过向水稻宿主细胞中注入转录激活样效应子TALE蛋白来传播病害。在42个水稻白叶枯病抗病基因中，Xa23是一个执行性抗病基因，其对所有检测的Xoo流行小种都具有广谱抗性。为了研究白叶枯病抗病和感病材料之间基因表达的差异，在抗病材料CBB23和感病材料JG30的叶片上接种了水稻黄单胞菌的不同菌株PXO99A、P99M和PH。其中PXO99A是野生型致病菌;P99M2是敲除PXO99A中avrXa23后的突变菌株;PH是敲除PXO99A中所有TALE后的突变菌株。 1.本研究利用RNA-Seq技术比较了两个近等基因系(NILs)材料CBB23（含有Xa23）和JG30(不含有Xa23)在注射Xoo菌株PXO99A前后的转录组学水平差异。利用高通量测序技术，在CBB23和JG30之间共鉴定出1645个在不同时间点差异表达的基因(DEGs)。通过基因本体(GO)分析，这些DEGs可归类为生物学过程、分子功能和细胞组分三类。KEGG分析将这些DEGs划分为不同的通路，其中苯丙素类的生物合成通路是最突出的，其次是植物激素的生物合成、黄酮类的生物合成和糖酵解及糖异生过程。进一步分析还鉴定出了在CBB23和JG30之间差异表达的转录因子(TFs)和激酶应答基因。除了转录因子和激酶应答基因外，在注射PXO99A后，在两种基因型中也存在和乙烯、茉莉酸、次生代谢物有关的DEGs。这些DEGs数据对于将来应对Xoo威胁的育种方案来说具有重要价值。 2.通过对水稻材料CBB23的叶片注射野生型Xoo菌株PXO99A和其突变体P99M2，来鉴定不同处理后的DEGs。在注射接菌后12、24、36和48小时，RNA-Seq分析共检索到了1235个DEGs(p-value≤0.05)。GO分析从功能上将这些DEGs划分为生物学过程、细胞组分和分子功能三类。KEGG通路分析将这些DEGs划分为11个不同的通路，其中核糖体循环通路最为主要。基因共表达网络分析还鉴定出了可能与抗PXO99A有关的TFs簇群。此外，本实验还筛选出了67个差异表达的TFs和26个过氧化物酶应答基因，他们可能在水稻抗病机制中发挥功能。同时，也鉴定出了涉及信号转导机制、细胞壁和植物激素等宿主-病原菌互作过程中的DEGs。这些数据对研究人员来说在鉴定抗Xoo相关的候选基因时是很有价值的资源。 3.通过对水稻材料JG30叶片注射PXO99A及其突变体PH(不舍任何TALE)，来筛查水稻感病性相关的DEGs。RNA-Seq数据分析显示，在注射后12、24、36和48小时共有1143个基因有明显的差异表达(p-value≤0.05)。通过实时定量PCR(qRT-PCR)对随机选择的8个基因进行检测，结果显示其表达模式与RNA-Seq数据一致。KEGG通路分析将这些DEGs划分为光合作用和苯丙素类生物合成这两个通路。此外，还鉴定出43个属于不同家族的差异表达TFs。同时，也筛选出了与激酶和过氧化物酶应答基因相关的DEGs簇群。MapMan通路分析显示，在注射PXO99A后生物胁迫和新陈代谢通路中的基因表达水平要高于注射PH。本研究对于研究人员来说，在发掘水稻对PXO99A侵染感病相关基因的潜在功能中有重要意义。 在本研究中通过转录组测序，获得了不同时间段的DEGs。利用GO和KEGG途径分析可以预测不同途径中特定的DEGs的功能。这些研究结果有助于研究人员通过DEGs的功能分析来揭示水稻抗感白叶枯病的深层机理。