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脱氧雪腐镰刀菌烯醇(Deoxynivalenol,DON)属于单端孢霉烯族毒素,是一类主要由小麦赤霉病优势菌禾谷镰刀菌产生的真菌毒素。DON是目前世界粮食和饲料产品中污染最为广泛的真菌毒素之一,严重威胁人、畜健康。DON能够通过与真核生物核糖体60S亚基结合,抑制真核细胞蛋白质合成,引起人和其它动物呕吐、免疫失调和腹泻等不良反应;DON也是赤霉菌的致病因子之一,可促进该菌在小麦体内的扩展。因此,筛选抗DON毒素及其产毒菌的基因,研究DON与小麦之间的分子互作机制,对于揭示赤霉菌致病机理,培育抗赤霉病小麦新品种具有重要理论意义。本研究主要包括两部分内容:①从小麦悬浮细胞抑制差减杂交文库中筛选经DON诱导的基因,以cDNA快速末端扩增方法(Rapid Aplification of cDNA ends,RACE)克隆基因全长序列,分析它们的表达模式,鉴定其生物学功能;②通过高通量RNA-seq测序,从转录水平研究DON与小麦细胞的互作,分析小麦应答DON毒素的基因网络和信号传导。主要结果如下:1)小麦TaAn基因的克隆和鉴定。受DON诱导的TaAn基因全长523 bp,开放阅读框(Open Reading Frame,ORF)为222 bp,编码73个氨基酸,没有内含子;TaAn-GFP细胞定位分析表明,TaAn编码的蛋白质主要定位在细胞膜上,同时在细胞核中也有少量分布;DON处理小麦12 h后,TaAn基因的表达量提高了 17040 倍;利用热不对称交错 PCR(Thermal Asymmetric Interlaced PCR,TAIL-PCR)克隆了该基因的启动子,序列分析发现其含有多种应答胁迫环境的顺式作用元件;在拟南芥中表达TaAn基因,能显著提高转基因植株对DON和赤霉菌的抗性。2)小麦TaUn基因的克隆和鉴定。TaUn基因全长563bp,其ORF为168bp,编码55个氨基酸,没有内含子;TaUn-GFP细胞定位分析表明,该基因编码的蛋白质主要定位在细胞膜上,少量分布在细胞核膜中;DON处理小麦24 h后,TaUn基因的表达量提高了 28033倍;TAIL-PCR克隆该基因的启动子,序列分析发现其含有多种应答病原菌侵染和胁迫环境的顺式作用元件;将TaUn基因转化到拟南芥植株中后,能显著提高转基因植株对DON和赤霉菌的抗性。3)小麦甲硫氨酰tRNA合成酶(Methionyl-tRNAsynthetase,TaMetRS)基因的克隆和鉴定。TaMetRS基因全长3905 bp,含有7个内含子,其ORF为1791 bp,编码596个氨基酸,含有典型的甲硫氨酰tRNA合成酶保守序列及核定位信号;TaMetRS-GFP细胞定位分析表明,TaMetRS基因编码的蛋白质定位在细胞核中;这个基因只受DON毒素和产DON赤霉菌菌株的诱导,而丧失产毒能力的突变菌株Tri5-不能诱导TaMetRS基因的表达;在拟南芥中表达TaMetRS基因,能显著提高转基因植株对DON和赤霉菌的抗性。4)小麦多药输出泵蛋白(Multidrug and toxin compound extrusion,MATE)基因的克隆和鉴定。TaMATE基因全长2572 bp,含有7个内含子,其ORF为1449 bp,编码482个氨基酸,含有10个典型的跨膜结构,TaMATE-GFP细胞定位分析证实,该蛋白质定位在细胞膜上;这个基因的表达受到DON和产DON菌株的诱导,不产毒素的突变菌株Tri5-的诱导效率较低;将TaMATE基因转入拟南芥中,能显著提高转基因植株对DON和赤霉菌的抗性。5)DON与小麦细胞互作的转录组研究。高通量RNA-seq测序结果表明:①DON可对小麦细胞造成巨大的毒害作用,如激活28个逆转录转座子,诱发大量基因突变、干扰植物正常生长发育,诱导类穿孔毒素蛋白表达,破坏细胞膜的完整性,抑制真核生物蛋白质的生物合成,影响其正常的生理生化反应;②DON能够促进赤霉菌在小麦体内扩展的代谢途径,如激活腐胺生物合成途径,为禾谷镰刀菌的侵染提供营养,促进病菌在小麦上的生长繁殖;③DON能够诱导多种脱毒基因及修饰酶的表达,对DON进行脱毒;④DON能够激活小麦体内病原菌相关分子引发的免疫反应(PAMPs-triggered immunity,PTI)和效应蛋白诱导的免疫反应(Effector-triggered immunity,ETI)及一系列其它代谢途径,可以提高植物的防御反应和补救DON对小麦造成的伤害。在拟南芥中,DON毒素能够激活植物的PTI和ETI信号途径,这种激活作用与环氧结构密切相关。