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水稻白葉枯病抗性基因Xa23的分子標記優化及應用

2011-12-31 00:00:00周雷陳志軍馬銀花劉凱李三和楊國才胡剛萬麗云游艾青
湖北農業科學 2011年24期

摘要:結合生物信息學的方法,對水稻白葉枯病(Xanthomonas oryzae pv. oryzae,Xoo)抗性基因Xa23的標記C189進行了改良和優化,獲得了測序品種日本晴中C189電子克隆的序列,設計改良的分子標記,命名為P23。用P23擴增36個水稻親本和200份中國栽培稻微核心種質材料,研究了該分子標記的穩定性和特異性。標記多態性檢測結果表明,在陽性親本CBB23中擴增出大約474 bp的條帶,其他35個常用水稻親本中都是擴增出約600 bp的條帶;中國栽培稻微核心種質中150個品種擴增出約600 bp的單一條帶,50個品種擴增出約474 bp的單一條帶。利用P23對含Xa23基因的114個F6代育種家系進行了分子標記輔助選擇,獲得了43個純合的抗性株系。這些結果證明標記P23具有特異性強,共顯性,PCR擴增產物差異大,利用1%的瓊脂糖凝膠電泳即可快速分清等位差異的特點,能廣泛用于抗病基因Xa23的輔助選擇;該研究中采用的生物信息學的方法對其他基因分子標記的設計或改良也具有一定的借鑒和指導意義。

關鍵詞:水稻;白葉枯病(Xanthomonas oryzae pv. oryzae,Xoo);分子標記輔助選擇;生物信息學

中圖分類號:S511;S330;S336 文獻標識碼:A 文章編號:0439-8114(2011)24-5243-04

Optimization and Application of Marker for Bacterial Blight Resistance Gene Xa23 in Rice

ZHOU Lei1,CHEN Zhi-jun1,MA Yin-hua1,2,LIU Kai1,LI San-he1,YANG Guo-cai1, HU Gang1,

WAN Li-yun1,YOU Ai-qing1

(1. Food Crops Institute,Hubei Academy of Agricultural Sciences,Wuhan 430064,China;

2. Graduate School of Wuhan University,Wuhan 430072,China)

Abstract: C189, a marker for bacterial blight resistance gene Xa23, was modified and optimized through bioinformatics method. The electronic cloning sequence of C189 in the sequenced rice cultivar Nipponbare was obtained, and used for designation of modified marker, which was named as P23. The stability and specificity of the P23 was analyzed by detecting is polymorphism in 36 primal parents and a set of mini-core collection of Oryza sativa L. in China. Marker effectiveness test revealed that a single band about 600 bp was amplified from 35 of the primal parents and 150 accessions in mini-core collection of Oryza sativa L. in China; While a 474 bp band was amplified from positive parent CBB23 and 50 accessions. 43 homozygous resistance lines out of 114 lines in the F6 breeding population carrying Xa23 gene were selected by using P23. These results demonstrated that the modified marker P23 was with high specific, co-dominant, significant difference in PCR product size, could seperrate alleles quickly by using 1% agarose gel electrophoresis, and could be widely applied for MAS of Xa23. Bioinformatics method provided a reference for related studies.

Key words: rice; white leaf blight(Xanthomonas oryzae pv. oryzae,Xoo); MAS; bioinformatics

水稻是我國和世界上最重要的糧食作物之一。近年來我國水稻播種面積為2 800萬~3 200萬hm2[1]。白葉枯病(Xanthomonas oryzae pv. oryzae,Xoo)是目前世界水稻生產中的三大病害之一,一般病田減產20%~30%,重病田損失可達80%,甚至顆粒無收[2,3]。目前生產上主要通過化學農藥防治和種植抗性品種來控制水稻白葉枯病。與發展新型高效、低毒的農藥相比,培育具有白葉枯病抗性基因的水稻新品種是控制水稻白葉枯病蔓延的一種更為經濟、有效的途徑。

據國家水稻數據中心網站(http://www.ricedata.cn/gene/gene_xa.htm)統計,截至2010年8月,經國際注冊確認和期刊報道的水稻白葉枯病抗性基因共35個。其中24個為顯性基因Xa,其他為隱性基因xa;已被定位的抗性基因有24個,并且Xa1、xa5、xa13、Xa21、Xa23、Xa26、Xa27這7個基因已成功克隆。在眾多的白葉枯病抗性基因中,最為廣泛利用的是Xa3和Xa4基因,由于長期廣泛利用,在國內外許多稻區已喪失抗性[4]。章琦等[5]在普通野生稻中鑒定出一個白葉枯病抗性基因Xa23,其抗譜較廣,抗國內外20個白葉枯病鑒別菌株(菲律賓小種1~10、中國致病型小種1~7和日本小種1~3),且完全顯性,全生育期抗病,后又將Xa23轉育到栽培稻中,育成了近等基因系CBB23。該基因在雜交稻白葉枯病抗性的改良上具有廣闊的前景[6,7]。對該抗性基因進行分子標記的開發,提高育種上對抗性基因的選擇效率,以迅速地培育出新的抗性品種和推廣應用,這是保障該地區水稻生產安全的關鍵措施。王春連等[7]利用EST標記,把Xa23精細定位于第11條染色體上C189和CP02662之間,遺傳距離分別為0.8 cM和1.3 cM。C189與Xa23基因緊密連鎖,在Xa23的抗性育種中有很高的選擇效率,是目前分子標記輔助選擇Xa23基因最常用的分子標記[8-13];但是由于C189的PCR產物片段較大,在800 bp以上,在實際MAS應用中不是很方便。

結合生物信息學的方法,以C189的2條引物為探針,電子克隆得到C189的PCR產物序列,設計出一對新的分子標記引物,命名為P23,并用P23擴增36個水稻親本和一套中國栽培稻微核心種質材料[14],研究該分子標記的穩定性和特異性。對含Xa23基因的114個F6代育種家系進行了分子標記輔助選擇,篩選出純合的Xa23抗性株系。建立的白葉枯病抗性基因Xa23的分子標記特異性強,共顯性,PCR擴增產物差異大,利用1%的瓊脂糖凝膠電泳即可快速分清等位差異的特點,能快速準確用于抗病基因Xa23的輔助選擇;利用生物信息學的方法對其他基因分子標記的設計或改良具有一定的借鑒意義。

1 材料與方法

1.1 材料

白葉枯病抗性基因Xa23供體親本CBB23,兩系恢復系“9311”等核心骨干親本36份(表1);200份中國栽培稻微核心種質[14],種子由中國農業大學李自超課題組提供。

該研究中的分子標記輔助選擇育種家系是一個包括114個F6代育種家系的三系不育系群體。群體的白葉枯病抗性基因Xa23供體是JD51,受體材料為三系不育系天豐A和巨風A;JD51是抗褐飛虱親本B5與白葉枯病抗性基因Xa23供體親本CBB23的雜交F6代群體中篩選出的一個聚合了抗褐飛虱基因Bph14、Bph15和白葉枯病抗性基因Xa23的單株。

1.2 方法

1.2.1 生物信息學分析 以EST標記C189前后引物序列(C189F:TAA GTT CTA CAT CGA CCC CA,C189R:CAC ATG AAG AGC TGG AAA CG)為探針,在NCBI(http://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi)做序列比對,根據電子克隆到C189的PCR產物序列重新設計特異性引物。

1.2.2 引物設計與合成 引物設計采用軟件Primer Premier 5.0,引物序列由上海生工生物工程技術服務有限公司合成。

1.2.3 水稻基因組DNA提取及PCR擴增和電泳 以植株新鮮嫩葉為材料,采用1.5%的CTAB提取總DNA[15]。PCR反應體系為15 μL,含1.5 μL 10×Buffer,0.8 μL dNTPs(10 mmol/L),2條10 mmol/L引物各0.5 μL,0.2 μL Taq酶(5 U/μL),2.0 μL模板DNA,9.5 μL ddH2O。PCR反應程序94 ℃、5 min,然后35個循環的94 ℃、30 s,55 ℃、30 s,72 ℃、45 s,最后72 ℃延伸10 min,擴增產物在1%瓊脂糖凝膠中電泳,用凝膠成像系統掃描照相記錄結果。

2 結果與分析

2.1 白葉枯病抗性基因Xa23分子標記P23的建立

利用EST標記C189的2條引物在NCBI上做序列對比,在粳稻日本晴基因組上第12號染色體上比對得到一個802 bp的序列(圖1),和CBB23的片段一致;而這段序列在秈稻“9311”基因組上對應的位置是一個空白,無法得到序列。因此,只對日本晴中的這段序列進行了分析。結果表明,這802bp序列是Os11g0579800基因的基因區的一部分,中間包含一個454 bp的內含子。根據EPIC-PCR (Exon-primed Intron-crossing PCR)[16]的原理,以這段802bp的序列為模板,跨越內含子設計一對內含子多態性引物P23,序列為P23F:5′-TGC CAC AGC CAA AGT ATG ATG CT-3′,P23R:5′-TTG GCC CCT GCA GAG AAG GC-3′。在粳稻日本晴基因組中電子克隆PCR產物的長度為474 bp。

2.2 分子標記多態性比較

以親本“9311”、巨風A、CBB23、JD51為模板,用P23和C189這2個分子標記分別做PCR,用1%瓊脂糖凝膠電泳對比,分別電泳15 min和30 min,分析親本間的帶型差異。當電泳15 min時,P23在陰性親本“9311”、巨風A的帶型一致,大約為600 bp,陽性親本CBB23、JD51一致,大約為474 bp,陽性和陰性親本間表現出明顯的差異,而C189在親本間的差異表現不明顯(圖2)。當電泳到30 min時C189在親本間也開始表現出差異;而此時P23在親本間的差異更大,更加容易分型(圖3)。由此可以看出,P23和C189的多態性是一致的,P23的改良設計是有效的,而且更易分型,便于應用。

2.3 分子標記P23在水稻親本中的分布

利用分子標記P23檢測36份水稻資源,除CBB23有474 bp條帶外,其余35份水稻資源均為約600 bp的條帶(表1),說明分子標記P23是Xa23的特異性標記。為了進一步檢測P23的特異性,檢測了P23在200份中國栽培稻微核心種質的多態性分布。中國栽培稻微核心種質是在6萬多份中國稻種資源中篩選出來的最具代表性的品種,約0.3%的品種保存了全部品種70.65%的標記多態性和76.97%的表型多態性[14]。P23分子標記檢測的結果顯示,200個品種都顯示出清晰的單一條帶,其中150個品種與“9311”一致,顯示出約600 bp條帶;50個品種與CBB23一致,顯示出約474 bp條帶。由于Xa23來源于野生稻,栽培稻原始品種中不含有該基因,P23在75%的品種中與CBB23表現出多態性,在秈稻品種中更是超過90%。因此,P23在親本品種間的多態性很高,有很廣的適應性。

2.4 白葉枯病抗性基因的分子標記輔助選擇

C189是Xa23基因緊密連鎖的標記,前人研究結果表明在MAS選擇中選擇效率都在95%以上,有的達到了100%,有極高的準確度[8-13]。P23是C189的改良型標記,選擇效率應該和C189是完全一樣的。因此,用P23對一個包括114個F6代育種家系的三系不育系群體進行了分子標記輔助選擇。在114個家系中,篩選出43個Xa23基因的純合家系,部分結果如圖4所示。這43個育種家系用抗褐飛虱基因Bph14、Bph15的分子標記進行檢測,得到了25個三抗性基因純合的家系。這些純合的抗性育種家系為抗病蟲育種提供了優良的材料。

3 小結與討論

該研究目的在于開發白葉枯病抗性基因Xa23實用的分子標記,方便對Xa23基因的輔助選擇。C189是目前Xa23的MAS育種中最常用的標記[8-13]。但這個標記擴增的產物過大,育種應用實用性較差。該研究結合生物信息學的方法,以C189的引物為探針,電子克隆得到C189的PCR產物,序列分析表明,這段PCR產物包括一段內含子序列。前人的研究表明,內含子區域一般承受的選擇壓力要大大低于外顯子區域,內含子變異程度要高于編碼序列[17]。引物設計在相對保守的外顯子上,比那些引物設計在非編碼區域的分子標記類型具有更廣的應用范圍。因此,利用EPIC-PCR的方法來改良C189得到的P23的標記多態性檢測結果也證實了這一點。該研究改良的分子標記P23具有共顯性、帶型清楚單一、擴增產物小、陽性與非陽性差異明顯、PCR分析容易出帶的特點;而且電泳需要時間更短,省時省電,簡便高效。在PCR的過程中,短片段的PCR對模板和酶的質量要求都會更低一些,更便于利用。因此,該研究結果大大地改良優化了Xa23基因的分子標記;該研究中采用的生物信息學的方法,也將為對其他基因分子標記的設計或改良提供一定的借鑒意義。

由于水稻白葉枯病菌致病型的變異,原有的水稻品種已經或正在失去抗性。因此,篩選抗性基因培育新的抗性品種是非常必要的。分子標記輔助選擇在水稻白葉枯病抗性育種中已有許多成功的例子[8-13],通過研究開發Xa23的基因標記,篩選出了多個含有Xa23、Bph14、Bph15等多個抗性基因聚合的優良株系,加速了抗性新品種的培育,有利于解決長江中下游地區的水稻白葉枯病抗性問題。

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