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微生物所运用HIGS技术实现对棉花黄萎病的防控

微生物所运用HIGS技术实现对棉花黄萎病的防控

  棉花黄萎病是由土壤病原真菌——大丽轮枝菌(Verticillium dahliae Kleb.)所引起的一种植物维管束病害。该病具有分布广、危害重、病原菌存活时间长、化学农药难于防治等特点。多年以来,棉花黄萎病严重威胁着棉花的生产和相关产业的发展,给棉农及国家造成很大的经济损失。在科技部转基因重大专项和中国科学院战略性先导(B类)的资助下,中国科学院微生物研究所研究员郭惠珊课题组成功利用寄主诱导基因沉默(HIGS)技术实现了对棉花黄萎病的防控。

  RNA沉默(RNA干扰)是一种在真核生物中广泛存在的保守机制,其作用方式是经一系列复杂的合成途径产生小分子RNA并以位点特异的剪切方式使之与序列互补的靶标RNA降解。近年来,虽然寄主诱导RNA沉默(HIGS,host induced gene 幸运飞艇scilencing)被应用于一些植物病原包括真菌的抗性利用,但仅局限于概念性的验证,没有实验证据表明植物产生的小RNA进入真菌细胞并且诱导了靶标基因的沉默;而且,抗病检测都是在实验室规模进行,HIGS在大田自然环境下是否有作用也从未得到证实。由于大量大丽轮枝菌微菌核存在于棉花种植土壤中,棉花与病原菌的斗争持续于整个植物生长期,所以,HIGS在棉花抗黄萎病的应用中充满着极大的挑战和神秘感。

  郭惠珊课题组利用真菌疏水蛋白VDH1编码基因作为目标分子,构建RNAiVdH1i)转基因棉花,进行致病性检测和分子实验验证。在实验室规模检测验证获得高抗性转基因棉花。由于敲除VDH1基因影响大丽轮枝菌微菌核的产生,但不影响其菌丝生长,使研究人员可以从侵染棉花中分离得到菌丝,进行RNA沉默效应的检测。研究结果证明了棉花产生的小RNA能够进入菌丝体诱导目标基因沉默。经过多年的努力,南繁北育,科研人员终于获得了纯和转基因株系,并通过新疆实地病圃抗病检测证明了HIGS在棉花抗黄萎病上应用的可行性和有效性。其结果将为培养抗棉花黄萎病、解决实际生产中棉花缺乏抗病资源的困境开拓新的策略和研究方向。

  该研究成果已在线发表在国际期刊MOLECULAR PLANT。郭惠珊课题组博士生张涛为第一作者,郭惠珊为通讯作者。

  另一个方面,随着大丽轮枝菌基因组测序工作的深入,大量的基因组数据不断涌现,有利于选择更多更有效的靶标基因进行HIGS的研究和开发,因此,对基因功能的准确注释就显得尤为重要。但是,目前对于大幸运飞艇丽轮枝菌,研究基因功能最为主要的方法是利用T-DNA介导的同源重组来实现基因的敲除和互补验证。同源载体的构建和后续敲除转化子的筛选就成为了研究过程中最为关键的限速步骤。工欲善其事必先利其器,微生物所郭惠珊课题组和张杰课题组合作,通过比较真菌功能基因研究过程中所涉及的载体构建和后续的筛选策略,综合目前所有载体构建和敲除转化子筛选的优点,成功构建了用于大丽轮枝菌中快速构建和筛选敲除转化子的载体(USER-ATMT-DS)。和传统的构建方法和敲除转化子的筛选方法相比较,USER-ATMT-DS载体大大缩减了载体构建和敲除基因的周期,并且实现精准敲除,极大地减少了后期筛选的工作量。该载体的应用将非常有助于推动大丽轮枝菌和其他真菌的功能基因研究。

  该研究成果已在线发表在国际期刊PHYTOPATHOLOGY。郭惠珊课题组博士生王胜为第一作者,郭惠珊和张杰为共同通讯作者。

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  图注:35S-VdH1i转基因棉花诱导大丽轮枝菌靶标基因沉默和抗性检测。(A)35S-VdH1i 转基因棉花不同株系表现出不同程度的抗黄萎病能力。(B)从转基因棉花分离的菌丝中靶标VdH1幸运飞艇 基因被诱导沉默。