寄生植物向日葵列当萌发刺激物、生理小种与遗传多样性分析

发布时间：2020-11-30 14:23

【摘要】：寄生植物是指由于根系或叶片退化或缺乏足够的叶绿素而必须从寄主植物中掠夺某些营养物质和水分等以满足自身生长发育需求的一类植物。寄生植物与典型的植物自养生活方式大相径庭,因为它们以异养的方式获取有机碳源,利用称为吸器的特殊器官与寄主植物的根或茎的维管组织直接相连。几乎所有列当科植物都是寄生植物,主要寄生于寄主植物的根部,其中列当属(Orobanche)的寄生植物因其对农作物的危害成为世界上研究最广泛的寄生植物之一。向日葵列当(Orobanche cumana)是一种自身无法进行光合作用的全寄生植物,专性寄生于向日葵(Helianthus annus)的根部,主要分布于欧洲和亚洲北部地区。向日葵列当作为寄生性杂草,严重危害作物向日葵的生长发育,是欧亚地区向日葵产量的一个重要限制因素。近年来,在我国向日葵主产区内蒙古和新疆也遭受向日葵列当大面积侵染,产量急剧下降,造成严重经济损失。本研究从表型、生化、遗传、基因组等多个角度对我国和欧洲的向日葵列当的遗传多样性、萌发刺激物、生理小种(寄生能力与毒性)等进行较全面的探索。在全球首个向日葵列当基因组测序组装完成的基础上,利用基因组重测序技术开发SNP,通过KASP分型技术构建完善其遗传图谱。首次对中国的向日葵列当的基因组进行重测序,以SSR和SNP分子标记研究向日葵列当在世界不同区域的遗传多样性和种群结构。采用新开发的根系无土培养体系鉴定向日葵列当生理小种即毒性水平,寻找向日葵列当生理小种与种群遗传多态性的关系。为探索寄主根系分泌物中的萌发刺激物与向日葵列当寄生数量的关系,开发了一种雾培体系和固相萃取技术结合高精度检测向日葵的根系分泌物中的列当萌发刺激物的方法。取得的主要研究结果如下:(1)采用基于下一代基因组测序开发并验证的具有高多态性的SSRs标记来评估世界不同地区的向日葵列当的遗传多样性。对来自中国5个不同区域的259份材料和来自欧洲27个不同区域的108份材料即共367份材料,通过荧光PCR结合毛细管电泳技术检测其遗传变异水平。向日葵列当的世界不同区域的遗传多态性分析清楚地区分了中国种群和欧洲种群。遗传系数、主成分分析和系统进化树表明向日葵列当种群可划分为3个群组:(I)中国新疆种群,靠近哈萨克斯坦和俄罗斯,寄生于食葵;(II)中国内蒙古种群,寄生于食葵;(III)欧洲种群,寄生于油葵。其中新疆种群具有最多的私有等位基因和最丰富的多态位点,暗示中国的新疆种群可能是其他向日葵列当种群的共同祖先之一,也可能是新疆的向日葵列当与当地其他列当科物种杂交的结果。(2)以西班牙的向日葵列当为参考基因组,首次探索了中国的向日葵列当基因组。采用最新基因组重测序技术,对9个具有代表性的中国内蒙古的向日葵列当和6个西班牙向日葵列当进行基因组重测序(llumina HiSeq~?3000)。重测序平均深度为15.3 X,检测得到276926个SNP。基于重测序筛选的SNP和基于外显子组测序并验证得到的1536个SNP进行融合分析与比较,发现不同地域的向日葵列当的遗传变异差异较大,且不同的地理环境会产生不同的遗传基因库。世界不同地域的向日葵列当种群共有五个遗传基因库:(i)中国(内蒙古);(ii)西班牙中东部昆卡(Cuenca);(iii)西班牙西南部瓜达威尔河畔(Guadalquivir valley);(iv)法国;(v)东欧地区(匈牙利、罗马尼亚、土耳其、乌克兰)。SNP标记与SSR标记所揭示的向日葵列当种群遗传多样性结果基本一致,即向日葵列当中国种群与欧洲种群遗传差异较大,暗示了地理隔离和寄主基因型的不同可能导致向日葵列当的种群发生适应性进化,从而产生较大的遗传多态性差异。(3)向日葵列当亲本INA和IN12杂交的91个F_2个体采用KASP技术进行SNP分型,以509个SNP和18个SSR构建出28个遗传连锁群,总图距为1479cM。向日葵列当父母亲本INA和IN12重测序检测出SNP40912个,其中13511个SNP定位到基因组的145个片段重叠群,占基因组90%。严格筛选出288个SNP进行KASP分型。将新增加的验证有效的130个SNP锚定到145个片段重叠群,重组遗传连锁群,构建得到向日葵列当19个高密度连锁群,对向日葵列当的染色体定位具有重要意义。(4)利用雾培体系和固相萃取技术检测向日葵的根系分泌物中的列当萌发刺激物,将列当萌发刺激物的样品收集预处理后,用高效液相色谱仪和三重四极质谱法联合(UHPLC-TQ-MS)分离检测列当萌发刺激物的组分。在雾培体系下,收集得到的列当萌发刺激物探测到了四种纳摩尔与微摩尔级浓度的向日葵列当萌发刺激物,即去氢木香内酯(dehydrocostus lactone)、木香烃内酯(costunolide)、苍耳素(8-epixanthatin)和向日葵内酯(heliolactone)。此方法已申请发明专利。(5)采用无土根系系统鉴定向日葵列当的生理小种,此系统比传统的土壤盆栽试验更节省空间,更便捷准确。本研究初步建立了一个向日葵列当生理小种鉴定标准,以六个向日葵品系作为鉴定寄主,即向日葵品系2603、L86、LC1003、LC1093、R96和P96,六周后统计列当的寄生数量。结果表明中国和法国的向日葵列当生理小种都介于小种E和F之间,暂定为小种X_(EF),向日葵列当的生理小种即寄生能力与其种群遗传多态性无关。研究发现新疆种群在食葵LD5009上的寄生数量远多于其他种群,可能是寄主的基因型变化即从油葵转为食葵,促使其发生适应性进化,这与基于SSR标记的遗传多样性分析结果相符。法国的列当小种鉴定采用土壤盆栽实验,中国的列当小种的鉴定同时采用了土壤盆栽实验和无土根系鉴定系统,验证了两个体系的结果相似性,表明无土根系体系可用于快速准确鉴定向日葵列当的生理小种。
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【图文】：

2图1.1列当科系统发育树.红色圆点表示非寄生植物向寄生植物过渡；绿色圆点表示半寄生植物向全寄生植物过渡.利用10个基因位点的数据推断列当科系统进化关系(极大似然法)，数据来源自Li等人[5,6].Figure1.1PhylogeneticrelationshipswithinOrobanchaceae.Thetransitiontoparasitismisindicatedbyredcircle,transitionstoholoparasitic(fromhemiparasiticancestors)areindicatedbygreencircle.PhylogeneticrelationshipswithinOrobanchaceaeinferredusingmaximumlikelihoodonacombineddatasetoftenloci.AdaptedfromLietal.[5,6].

4图1.2向日葵列当生活史[3].Figure1.2LifecycleofO.cumana[3].1.1.4中国的向日葵列当历史与现状向日葵种植业在中国发展的最快时期是20世纪80年代和90年代。到上个世纪末，中国有超过一百万公顷的向日葵种植面积。据中国农村统计年鉴(2019)统计，中国向日葵播种面积到达了921千公顷，产量为249万吨，占中国农作物总播种面积的0.6%。截至2019年，内蒙古是我国最大的向日葵产区，种植面积约为56万公顷，其次为新疆，种植面积在12万公顷。在中国，向日葵列当虽是在上世纪七十年代大量出现于向日葵作物种植地区，但是早在1959年，在内蒙古(中国北部)就发现了向日葵列当，但寄生于青蒿(Artemisiasieversiana)上[16]。1979年，在吉林省田间发现了寄生于向日葵的列当[17]。近几十年来，特别是20世纪90年代以来，随着内蒙古、新疆地区向日葵产量的大幅度提高，向日葵列当的入侵成为当地向日葵产量的严重限制因素。1.1.5寄生杂草的防治控制寄生杂草是一项具有挑战性的工作。在过去的40年里，人们考虑了各种控制这些寄生杂草的方法，尽管取得了一些令人鼓舞的结果，但没有一种是真正令人满意的。目前，防除寄生杂草主要通过人工机械除草、化学防治、生物防

12图1.3独脚金内酯(SLs)和其他萌发刺激物的结构.(a)结构I是独脚金醇类型的SL，具有典型的碳原子顺序和ABC-D环结构；结构II是结构I(ent-I)的对映体，其C-2′位于S形结构；结构III是结构II的2′-epi-II和结构III的2′-epi-ent的差向异构体.(b)独脚金醇类型在左列，列当醇类型在中间列，右列分别是carlactone，人工合成SL类似物GR24，karrikin和β-apo-13-carotenone.Figure1.3Structuresofstrigolactones(SLs)andothercompounds.(a)C-atomnumberingandthecharacteristicABC-D-ringstructureofastrigol-likeSL(structureI).StructureIIisanenantiomerofstructureI(ent-I)withtheC-2′inanSconfiguration.StructureIIIisanepimerofstructureII(2′-epi-II)anda2′-epi-entofstructureI.(b)Examplesofstrigol-like(leftcolumn)andorobanchol-like(middlecolumn)SLsalongwithstructuresofcarlactone(anSLlackingthetypicalABCring),thesyntheticGR24andent-GR24thatconstitutethecommerciallyavailableracemicmixture,karrikin(KAR1),andβ-apo-13-carotenone(rightcolumn).新报道的非经典SLs除了carlactonoate外，都是寄生植物独脚金属和列当属的萌发刺激物。向日葵内酯(heliolactone)是类胡萝卜内酯(carlactone)类似物,可诱导紫花独脚金(Strigahermonthica，中文暂定名),向日葵列当(Orobanchecumana),小列当(Orobancheminor),圆齿列当(Orobanchecrenata)和埃及列当(Orobanche
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