專利名稱：運用比較基因組學快速鑒定蒺藜苜蓿白粉病基因的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是借助于蒺藜苜蓿測序全基因組序列，利用植物比較基因組學、遺傳學、生物信息學和候選基因策略等方法快速鑒定蒺藜苜蓿白粉病基因，主要涉及到蒺藜苜蓿全基因組序列的下載，候選基因的鑒定，基因的比對，聚類等手段，進而鑒定出白粉病基因，屬于植物生物技術科學領域。
背景技術：
苜猜白粉病主要由豆科內絲白粉菌(ZereiWWa leguminosarum Golov.)及豌豆白粉菌(份pisi DC.)引起，病菌以閉囊殼在病株殘體上越冬，或以休眠菌絲越冬，次年春天于苜蓿返青生長后，以子囊孢子進行初侵染。生長季節(jié)內病菌以分生孢子進行多次再侵染，分生孢子借風カ傳播相當遠的距離。病原菌侵染植株后，苜蓿葉片的兩面、莖、葉柄、莢果等部位都可出現(xiàn)白色霉狀斑，初期病斑小而呈圓形，然后擴大互相匯合，漸漸覆蓋全部葉面，形成一層氈狀霉層。在葉片上背面霉斑明顯多于正面。后期在霉層中產(chǎn)生淡黃 色、橙色至黒色小點。豆科內絲白粉菌的閉囊殼埋生于氈狀霉層內；豌豆白粉菌的閉囊殼表生于展布的菌絲體上。這兩種病原菌有時可混生于同一病株上。苜蓿白粉病是干旱地區(qū)苜蓿常見病害之一，在干旱而又溫暖的地區(qū)發(fā)病尤其嚴重。我國在新疆、甘肅和內蒙古的中西部地區(qū)主要是內絲白粉菌引起的白粉病，豌豆白粉菌引起的苜蓿白粉病，在甘肅隴東、北京、河北、山西、貴州、四川和新疆等地都有報道。在這些產(chǎn)區(qū)白粉病的侵害給苜蓿的產(chǎn)量和品質帶來了極大的影響。選擇抗白粉病苜蓿品種、挖掘抗白粉病基因一直以來是防治此類病害發(fā)生的重要手段。MLO型抗病基因是植物特異的一類抗病基因。研究者最早發(fā)現(xiàn)MLOresistance locus 2)基因對白粉病抗性是始于1937-1938年，由德國人在埃塞俄比亞采集了很多品種的大麥，其中的兩個株系對白粉病菌QUunwriei gremiriis f. sp. hordei)所有己知的生理小種都具有高效抗性。進ー步研究表明，大麥中MLO基因的隱性突變mlo可以使大麥對幾乎所有己知大麥白粉病菌的生理小種產(chǎn)生持久、廣譜的抗性。最近，研究者發(fā)現(xiàn)很多植物的抗白粉病基因都是MLO型基因控制，如番茄，豌豆、擬南芥、薔薇、辣椒、百脈根等等。因此挖掘植物中的MLO型抗病基因對植物抗白粉病育種具有重要的作用。目前，常用挖掘抗病基因常用的方法有圖位克隆，轉座子標簽等方法。但是由于蒺藜苜蓿的基礎研究不夠深入，因此利用這些方法不僅時間長而且很難準確地克隆這些基因。因此，如何快速鑒定蒺藜苜蓿中的MLO型抗病基因將成為蒺藜苜蓿抗白粉病育種的重要前提。植物比較基因組學(Comparative Genomics)是基于基因組圖譜和測序基礎上,對已知的基因和基因組結構進行比較，來了解基因的功能、表達機理和物種進化的學科。利用模式植物基因組與其它植物基因組之間編碼順序上和結構上的同源性，克隆其他植物基因，掲示基因功能和分子機制，闡明物種進化關系及基因組的內在結構。本專利所采用的方法及思路模式植物擬南芥基因組研究已經(jīng)掲示了 MLO型基因的功能，利用基因其順序上的同源性克隆蒺藜苜蓿MLO型抗病基因，根據(jù)模式植物擬南芥實驗系統(tǒng)上的優(yōu)越性和已知MLO型抗病基因的特點，快速“捕捉”蔡藜苜?？拱追鄄』颉＝陙?，蒺藜苜蓿基因組測序的完成為我們快速挖掘蒺藜苜蓿白粉病基因提供了條件。本專利介紹了以蒺藜苜蓿全基因組序列為前提，結合比較基因組學、遺傳學、基因組學、生物信息學和候選基因策略等知識，快速挖掘白粉病基因。
發(fā)明內容
技術問題
本發(fā)明的目的是提供一種通過結合植物比較基因組學、植物遺傳學、基因組學和生物信息學等知識，快速挖掘蒺藜苜?？拱追鄄』?。其結果一方面可用于蒺藜苜蓿白粉病基因緊密連鎖分子標記的開發(fā)，進行分子標記輔助選擇育種，另一方面也為其他作物白粉病基因鑒定提供參考依據(jù)。
技術方案
主要原理第一個植物抗白粉病基因(MLO)是從大麥中克隆的，研究發(fā)現(xiàn)此基因是ー類特殊的抗病基因，不同于先前克隆的大多數(shù)NBS (nucleotide-binding site)類型抗病基因；隨后，研究者相繼從番茄、擬南芥、豌豆、辣椒、百脈根等植物中克隆了白粉病基因，研究發(fā)現(xiàn)這些基因編碼的都是MLO型抗病基因。隨后，眾多研究者通過多次試驗證實MLO型抗病基因已經(jīng)成為植物特有的ー類抗白粉病基因。進ー步發(fā)現(xiàn)，植物MLO類型基因是ー個基因家族；而且對來源于不同物種的MLO基因家族進行系統(tǒng)發(fā)育關系分析發(fā)現(xiàn)，不同物種中抗白粉病基因總是聚類一起，成為ー類，這ー類MLO基因都具有抗白粉病基因序列的典型特征。蒺藜苜?；蚪M測序的完成為挖掘白粉病基因提供了一條便利途徑。因此，可以借助于已經(jīng)測序的蒺藜苜蓿全基因組中MLO基因家族和已經(jīng)克隆的MLO白粉病基因的系統(tǒng)發(fā)育關系以及對于維持白粉病基因MLO重要功能的氨基酸保守性來鑒定蒺藜苜蓿白粉病基因。主要步驟如下
O蒺藜苜蓿全基因組序列的下載及其MLO型基因的采集
首先從蔡藜苜猜測序基因組數(shù)據(jù)庫(http://www. phytozome. net/search, php)下載蔡藜苜蓿全基因組序列；使用“DNAT00LS”軟件對獲得的蒺藜苜蓿全基因組氨基酸序列數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，然后用pfam數(shù)據(jù)庫(蛋白家族數(shù)據(jù)庫，http://pfam.janelia.org/search/sequence)中的隱馬爾可夫模型(HMM)對MLO結構域的氨基酸序列與已建立的蒺藜苜蓿全基因組氨基酸序列數(shù)據(jù)庫進行Blastp (E-Value=O. 001)序列比對，初步篩選出候選基因序列。其次，利用已經(jīng)公布的MLO型基因序列，對蒺藜苜蓿基因組數(shù)據(jù)庫進行BLAST比對，獲得候選基因序列。2)蒺藜苜蓿MLO型基因家族的鑒定
將上述結果中得到的同源核苷酸序列的候選基因，通過Pfam(E-Value=LO)進行分析，去除無‘ML0’結構域的基因序列(圖I)。再將候選抗病基因序列通過MEGA3. I軟件提供的ClustalW工具(多序列比對程序)進行多序列比對，去除重復序列。3)通過植物MLO型基因的系統(tǒng)發(fā)育關系鑒定候選的蒺藜苜蓿MLO型白粉病基因 由于先前的研究已經(jīng)證明，雙子葉植物MLO型白粉病基因位于植物MLO基因系統(tǒng)發(fā)育樹同一區(qū)組，因此在系統(tǒng)發(fā)育關系研究中，我們把擬南芥的MLO型基因家族和一些其他作物的MLO型抗白粉病基因和蒺藜苜蓿MLO型基因一起聚類分析，以獲得候選的蒺藜苜蓿抗白粉病基因(圖2)。4)蒺藜苜蓿白粉病基因與已知的植物MLO白粉病基因的比對
利用BioXM 2.6軟件將蒺藜苜蓿候選的MLO型白粉病基因和擬南芥、番茄、豌豆、大麥的MLO白粉病基因的氨基酸序列轉換成Fasta格式的文件，將這些文件導入BioEdit 7.0軟件，運用此軟件中Clustal軟件進行多序列比對，掲示候選白粉病基因重要氨基酸殘基及區(qū)域的保守性。從而進一步鑒定蒺藜苜蓿候選的白粉病基因(圖3)。本發(fā)明的積極效果
O縮短了蒺藜苜蓿白粉病基因挖掘周期，有利于白粉病基因的快速鑒定。采用常規(guī)方 法(圖位克隆、轉座子標簽等)挖掘抗白粉病基因不僅耗時耗力、效率低，且難以成功。本發(fā)明基于植物比較基因組學、遺傳學、生物信息學方法快速挖掘蒺藜苜蓿白粉病基因，不僅可以縮短時間，還可以提高白粉病基因鑒定效率。2)蔡藜苜猜(ifet/Zcago屬于豆科苜猜屬，是豆科模式作物之一。由于蒺藜苜蓿遺傳基礎狹窄，種質資源多祥性低，因此通過常規(guī)的分子標記(RAPD、ISSR、SSR、AFLP等)鑒定蒺藜苜蓿白粉病基因比較困難。通過鑒定的候選白粉病基因開發(fā)相應的共分離功能性標記(SNP、SCAR等)，可以快速的用于抗病基因的分子標記輔助選擇，準確性高。3)多抗性育種材料的創(chuàng)制。基于新鑒定的白粉病基因開發(fā)的功能性分子標記，結合已經(jīng)定位的其他抗病基因的分子標記，進行多抗性育種材料的創(chuàng)制，可以縮短育種年限，提聞育種效率。4)為闡述蒺藜苜蓿抗白粉病分子機制奠定了基礎。蒺藜苜?？拱追鄄』虻蔫b定，通過轉基因技術、RNAi、病毒誘導的基因沉默(virus induced gene silencing, VIGS)技術等研究抗白粉病的分子機制提供了基因資源，有利于快速闡述蒺藜苜?？拱追鄄〉淖饔脵C理。
圖I蒺藜苜蓿MLO基因的鑒定；
本圖顯示的是15個MLO型基因鑒定結果，每ー個基因都含有ー個‘ML0’保守結構域。圖2植物MLO基因家族的系統(tǒng)發(fā)育關系分析及其蒺藜苜蓿MLO型白粉病基因的鑒定;
擬南芥是植物科學研究的模式植物，在構建系統(tǒng)發(fā)育樹中，擬南芥的15個MLO型基因(其中3個基因是白粉病基因AtML002，AtML006和AtML012)、番茄抗白粉病基因(SlMLO)、大麥白粉病基因(HvMLO和HvML002)和豌豆的白粉病基因(PsMLO)被選擇用來和蒺藜苜蓿MLO型基因聚類分析。共鑒定出I個蒺藜苜蓿候選的MLO型白粉病基因。圖中灰色標記的基因就是候選蒺藜苜蓿白粉病基因。圖3蒺藜苜蓿MLO型白粉病基因的比對分析；
I個蒺藜苜蓿白粉病基因與大麥(HvMLO)、番茄(SlMLO)、豌豆(PsMLO)、擬南芥白粉病基因(AtML002，AtML006和AtML012)進行比對，鑒定白粉菌侵染有重要作用的氨基酸殘基和區(qū)域的保守型。圖中TM1-TM7表示蒺藜苜蓿MLO型白粉病基因的7個轉模區(qū)域；黑色圓點表不白粉菌侵染重要的氣基酸殘基；CaMBD表丐調蛋白結合區(qū)；1和II表不對白粉菌侵染重要的氨基酸區(qū)域。
具體實施例方式抗病基因的鑒定在作物抗病遺傳理論研究和抗病品種選育中具有重要的作用。本方法可以快速鑒定出蒺藜苜蓿白粉病基因。具體實施過程如下
I)蒺藜苜蓿MLO型基因的采集及鑒定
為了獲得蒺藜苜蓿全部的MLO型基因家族成員，我們首先以擬南芥的MLO型基因，番茄、豌豆、薔薇、辣椒、百脈根的抗白粉病MLO基因序列構建HMM模型，從蒺藜苜?；蚪M序列中收索MLO型基因；其次以不同作物中已經(jīng)發(fā)表的MLO基因序列作為靶序列(來自 DFCI 數(shù)據(jù)庫TC171015, TC267529, DFCI: TC327983, TC289653, TC312087,TC132500, TC133436, TC317623, TC317025, TC315947, TC325903, TC315944, TC315912, TC322759, TC322059, TC330654, TC282713, TC293173, TC281861, TC283253, TC283383,TC285032, TC290021, TC302716, TC283487, TC282866, TC283441, TC281428, TC285118,TC285090;來自 GenBank 數(shù)據(jù)庫AY967408, AF384145, AF384144, AY029312-AY029315,AY029317-AY029319, Z95352, AF369563-AF369565, AF369567, AF369569-AF369576，Z83834, Z95496, AY581255),對蔡藜苜猜數(shù)據(jù)庫(http://www. phytozome. net/search,php)進行BLAST比對，選擇相似度最高的序列進行下載，共獲得了 15條候選的MLO型基因(AC202568_19; AC202568_22; AC225519_22; AC225519_24; Medtr2g006370;Medtr2g034050; Medtr2gl10820; Medtr3gl60010;Medtr3gl60040;Medtr3gl63760;Medtr4gl08740;Medtr4gl08950;Medtr5g024650; Medtr5g022330; Medtr8g087610)。2)蒺藜苜蓿MLO型基因家族的鑒定
為了進ー步驗證這些MLO基因準確性，我們對這15個候選的MLO基因進行了保守結構域“ML0”的鑒定。以每ー個候選的MLO型基因的氨基酸序列為基準，在PFAM(http://pfam.sanger. ac.uk/)網(wǎng)站上進行‘ML0’保守結構域的鑒定,具體結果見圖I。3)蒺藜苜蓿MLO型基因的系統(tǒng)發(fā)育關系分析
在先前的研究中，發(fā)現(xiàn)雙子葉植物白粉病基因聚合成一個區(qū)組；因此，在構建系統(tǒng)發(fā)育樹中，我們選擇了模式植物擬南芥的15個MLO型基因(其中3個基因是白粉病基因AtML002，AtML006和AtMLOl2)、番茄抗白粉病基因、大麥白粉病基因和豌豆的白粉病基因和蒺藜苜蓿MLO型基因聚類分析一起聚類分析。將蒺藜苜蓿MLO型基因和其他作物白粉病基因蛋白質序列進行多序列聯(lián)配(采用Clustal X I. 83軟件進行)，并利用Genedoc軟件(http://www. nrbsc. org/gfx/genedoc/index, html)顯不多序列聯(lián)配的結果。將Clustal多序列聯(lián)配的結果輸出到MEGA 4.0軟件中，并利用此軟件分別構建了鄰接樹(neighbor-joining, NJ),利用Bootstrapping方法對這些進化樹進行了評估。結果發(fā)現(xiàn)在雙子葉植物抗白粉病基因區(qū)組內，存在I個蒺藜苜蓿候選的MLO型白粉病基因(見圖2)。4)蒺藜苜蓿MLO型抗病基因的比對
在大麥MLO型白粉病基因研究中，研究中相繼發(fā)現(xiàn)了ー些重要區(qū)域和單個氨基酸，它們對大麥白粉菌侵染有著不可替代的作用。為了鑒定I個候選的蒺藜苜蓿白粉病基因中，這些重要區(qū)域和氨基酸是否高度保守，我們對來自擬南芥的3個抗白粉病基因(AtML002、AtML06和AtMLO12)、番茄白粉病基因(SIMLO)、豌豆白粉病基因(PsMLO)進行了比對 分析。發(fā)現(xiàn)蒺藜苜蓿I個候選的白粉病基因與已知的MLO型白粉病基因7個跨膜區(qū)，30個重要的氨基酸，I個鈣調蛋白結合區(qū)(CaMBD)和兩個重要的區(qū)域(I和II)高度保守(圖3)。
權利要求
1.蒺藜苜蓿抗白粉病基因，其特征在于選自下列I個基因l)Medtr2gll0820 氨基酸MAGGSVGRSLTETPTffAVAVVCFVILSISIFIEHIFHIIEKWLKKKHKSALYESLEKIKSELMLLGFISLLLTVGEGLISRICISEKVAATWHPCSNNANIESDDEELIDHETGGSRRLLAALLASQGDNHHRILAGGGGDKCAEEGKVAFVSAGAIHQLHIFIFVLAV FHILYCILTLALGRAKMRRWKRWEEATKTPEYQFSHDPERFRFANETSFGRRHLSFWTKNPVLIWIVCFFRQFVRSVPEVDYLTLRHGFMMAHLAPQSHLKFDFRQYIKRCLEEDFKVVVGISPPIWFITVFFLLFHTHGWHSYLWLPFLPLIIVLLVGTKLQVIITQMGLRIQKQGMVVKGEPVVQPRDDLFffFNKPRLILFLINFVLFQNAFQLAFFSWTALQFGVTSCYNSRKDGVVIRICMGVFVQILCSYVTLPLYALVTQMGSTMKPTIFNERVATALRNWHHTARKNIKHNRGSGSQTPFSSRSITPARSMSPAQILRHYRNQMDTPTRLNFETSHHYESYSPSPSNSHHHKVEINVASSSSTHLHEMEMGHLAHVEQQEVIKPNSISVGSGRPQFEIDIQQSDELSFSTMPTNQLE 核苷酸ATGGCAGGAGGAAGCGTTGGAAGAAGCTTAACTGAAACACCTACTTGGGCCGTTGCAGTTGTTTGCTTTGTTATACTTTCTATTTCTATCTTCATTGAACACATTTTCCACATCATAGAAAAGTGGTTGAAGAAGAAGCATAAAAGTGCCTTGTATGAGTCACTTGAAAAGATCAAATCAGAGCTAATGTTACTAGGGTTCATATCATTGCTCCTAACAGTAGGAGAAGGTTTAATATCAAGAATATGTATATCAGAAAAAGTTGCAGCCACATGGCATCCATGTAGCAACAATGCAAATATTGAATCAGATGATGAAGAGTTAATAGACCATGAAACCGGTGGCAGCCGGAGATTACTAGCCGCGTTGCTTGCTTCTCAAGGCGACAATCACCACCGTATTTTGGCTGGTGGAGGAGGTGACAAATGTGCAGAAGAGGGAAAAGTAGCATTTGTATCAGCAGGGGCCATTCATCAACTCCATATATTTATATTTGTGCTTGCTGTTTTTCATATCCTCTACTGCATACTTACTCTGGCTCTAGGTAGAGCAAAGATGAGAAGGTGGAAAAGATGGGAAGAGGCAACCAAGACACCTGAGTACCAATTTTCACACGATCCTGAAAGATTCAGATTCGCTAACGAGACTTCGTTTGGAAGAAGACACTTAAGTTTCTGGACCAAAAATCCTGTCCTCATTTGGATTGTATGTTTTTTTAGGCAATTTGTAAGGTCAGTTCCTGAAGTGGATTACTTGACCTTAAGGCATGGATTTATGATGGCACATTTGGCTCCTCAAAGTCACCTGAAGTTTGACTTTAGACAATACATCAAAAGATGTTTGGAAGAAGACTTCAAAGTTGTTGTTGGAATCAGTCCTCCAATTTGGTTCATCACAGTGTTCTTCCTCCTGTTCCATACTCATGGGTGGCACTCTTATCTATGGCTACCATTTCTTCCTTTGATTATTGTCCTATTAGTTGGAACAAAGCTGCAAGTGATCATAACTCAAATGGGTCTTAGAATTCAAAAACAAGGAATGGTGGTAAAGGGTGAGCCAGTGGTGCAACCTAGGGATGACCTCTTTTGGTTTAACAAACCTAGACTTATTCTCTTCCTTATTAATTTTGTACTCTTTCAGAATGCCTTCCAGCTTGCTTTCTTTTCATGGACTGCTCTTCAATTTGGGGTGACATCCTGTTACAATTCACGTAAAGATGGTGTTGTCATTAGAATTTGCATGGGAGTCTTCGTTCAAATCCTTTGCAGCTACGTCACTCTCCCTCTCTATGCTCTCGTGACGCAGATGGGTTCGACCATGAAACCAACCATATTCAACGAAAGAGTAGCTACAGCTCTACGGAATTGGCACCACACCGCAAGGAAGAACATAAAGCACAACCGTGGATCGGGCTCTCAAACCCCATTTTCAAGTCGGTCCATAACTCCGGCACGTTCAATGTCTCCGGCCCAAATCCTTCGTCATTACCGCAACCAAATGGACACTCCAACAAGACTCAATTTTGAGACCAGTCACCACTATGAATCTTATTCACCCTCACCTTCCAACTCACACCACCACAAGGTTGAGATCAATGTTGCTTCTTCCAGCTCAACTCATCTTCATGAAATGGAAATGGGTCACCTAGCCCATGTTGAACAACAAGAAGTCATTAAGCCCAATAGTATTTCTGTGGGCTCAGGCCGGCCTCAATTTGAAATTGATATCCAACAGAGTGATGAACTCTCATTTTCAACAATGCCCACAAATCAATTAGAATGA。
2.權利要求I所述快速鑒定蒺藜苜蓿白粉病基因的應用，包括 I)育種材料的創(chuàng)制。
.3.2)抗白粉病的育種實踐。.4. 3)抗白粉病基礎理論研 究。
全文摘要
本發(fā)明是快速鑒定蒺藜苜蓿抗白粉病基因；涉及到植物比較基因組學，遺傳學和生物信息學等學科知識，屬于植物生物技術科學領域。該發(fā)明主要步驟為1)蒺藜苜蓿全基因組序列的下載及MLO型基因的采集；2)MLO型基因的鑒定；3)MLO型基因系統(tǒng)發(fā)育關系；4)MLO型白粉病基因的比對。該發(fā)明有效的縮短了蒺藜苜蓿白粉病基因挖掘周期，有利于白粉病基因的快速鑒定；通過鑒定的候選白粉病基因開發(fā)相應的共分離功能性標記(SNP、SCAR等)，還可以快速的用于抗白粉病基因的分子標記輔助選擇，準確性高；結合其它抗病基因分子標記可進行多抗性育種材料的創(chuàng)制，縮短育種年限，提高育種效率；為闡述蒺藜苜?？拱追鄄》肿訖C制奠定了基礎。
文檔編號C12Q1/68GK102719445SQ20121009499
公開日2012年10月10日 申請日期2012年3月31日 優(yōu)先權日2012年3月31日
發(fā)明者俞錁, 錢孝英 申請人:常熟市支塘鎮(zhèn)新盛技術咨詢服務有限公司