Xác định và lập bản đồ các gen biểu hiện liên quan đến QTL 2DL đối với bệnh thối đầu Fusarium ở dòng lúa mì Wuhan 1

BMC Genetics - Tập 20 - Trang 1-15 - 2019
Xinkun Hu1,2, Hélène Rocheleau1, Curt McCartney3, Chiara Biselli4, Paolo Bagnaresi4, Margaret Balcerzak1, George Fedak1, Zehong Yan2, Giampiero Valè5, Shahrokh Khanizadeh1, Thérèse Ouellet1
1Ottawa Research and Development Centre, Agriculture and Agri-Food Canada, Ottawa, Canada
2Triticeae Research Institute, Sichuan Agricultural University, Chengdu, People’s Republic of China
3Morden Research and Development Centre, Agriculture and Agri-Food Canada, Morden, Canada
4CREA, Council for Agricultural Research and Economics - Research Centre for Genomics and Bioinformatics, Fiorenzuola d’Arda, Italy
5Dipartimento di Scienze e Innovazione Tecnologica, Università del Piemonte Orientale, Vercelli, Italy

Tóm tắt

Bệnh thối đầu Fusarium (FHB) là một vấn đề đáng quan ngại đối với các loại ngũ cốc nhỏ, đặc biệt là lúa mì. Một locus tính trạng định lượng (QTL) liên quan đến kháng FHB (FHB_SFI) được xác định trên nhánh dài của nhiễm sắc thể 2D trong kiểu gen lúa mì xuân Wuhan 1 là một locus kháng có khả năng cải thiện độ kháng FHB của lúa mì bánh mì vì nó cung cấp khả năng kháng hiệu quả cho các dòng giống lúa mì. Gần đây, các gen biểu hiện khác nhau (DEG) đã được xác định thông qua việc so sánh các dòng gần giống đồng hợp (NIL) mang nhiễm sắc thể dễ tổn thương và kháng cho QTL 2DL, sử dụng kỹ thuật RNA-Seq. Trong nghiên cứu hiện tại, chúng tôi nhằm xác định các gen ứng cử nằm trong khoảng gen cho QTL 2DL đối với độ kháng FHB, được đánh giá bằng cách cấy nhiễm hoa đơn (FHB_SFI) và có thể góp phần vào đó. Kết hợp các phân tích tin sinh học trước đó và bổ sung, 26 DEG được xác định nằm trên nhánh nhiễm sắc thể 2DL đã được chọn để đặc trưng hơn về biểu hiện của chúng bằng RT-qPCR. Bảy trong số các DEG đó đã cho thấy một mô hình biểu hiện khác biệt nhất quán giữa ba cặp dòng gần giống đồng hợp hoặc các kiểu gen khác mang allele R và S cho QTL 2DL đối với kháng FHB. UN25696, được xác định trong các công trình biểu hiện trước đó bằng kỹ thuật vi mạch cũng đã được xác nhận có một mô hình biểu hiện khác biệt. Tám gen ứng cử đó đã được đặc trưng thêm trong 85 dòng của quần thể bản đồ có hai haploid được phát sinh từ giao phối Wuhan 1/Nyubai, quần thể nơi QTL 2DL được xác định ban đầu. QTL biểu hiện cho gene Traes_2DL_179570792 hoàn toàn trùng khít với khoảng bản đồ cho QTL 2DL đối với FHB_SFI, trong khi QTL biểu hiện cho UN25696 nằm gần QTL này nhưng không trùng với nó. Không có gen nào khác có eQTL đáng kể trên nhiễm sắc thể 2DL. Việc biểu hiện cao của Traes_2DL_179570792 và UN25696 liên quan đến allele kháng tại locus đó. Trong số 26 DEG từ nhiễm sắc thể 2DL được đặc trưng thêm trong nghiên cứu này, chỉ có hai gen có QTL biểu hiện nằm trong hoặc gần khoảng cho QTL 2DL. Traes_2DL_179570792 là dấu hiệu biểu hiện đầu tiên được xác định là liên quan đến QTL 2DL.

Từ khóa

#Bệnh thối đầu Fusarium #QTL #kháng #gen biểu hiện #RT-qPCR #lúa mì

Tài liệu tham khảo

Buerstmayr H, Ban T, Anderson JA. QTL mapping and marker-assisted selection for Fusarium head blight resistance in wheat: a review. Plant Breed. 2009;128:1–26. Bai G, Shaner G. Scab of wheat: prospects for control. Plant Dis. 1994;78:760–6. Dexter JE, Clear RM, Preston KR. Fusarium head blight: effect on the milling and baking of some Canadian wheats. Cereal Chem. 1996;73:695–701. Dexter JE, Marchylo BA, Clear RM, Clarke JM. Effect of fusarium head blight on semolina milling and pasta-making quality of durum wheat. Cereal Chem. 1997;74:519–25. Parry DW, Jenkinson P, McLeod L. Fusarium ear blight (scab) in small-grain cereals—a review. Plant Pathol. 1995;44:207–38. McMullen M, Jones R, Gallenberg D. Scab of wheat and barley: a re-emerging disease of devastating impact. Plant Dis. 1997;81:1340–8. Gilbert J, Tekauz A. Review: recent developments in research on fusarium head blight of wheat in Canada. Can J Plant Pathol. 2000;22:1–8. Mesterhazy A. Types and components of resistance to fusarium head blight of wheat. Plant Breed. 1995;114:377–86. Buerstmayr H, Lemmens M, Grausgruber H, Ruckenbauer P. Scab resistance of international wheat germplasm. Cereal Res Commun. 1996;24:195–202. Chu C, Niu Z, Zhong S, Chao S, Friesen TL, Halley S, et al. Identification and molecular mapping of two QTLs with major effects for resistance to fusarium head blight in wheat. Theor Appl Genet. 2011;123:1107–19. Cativelli M, Lewis S, Appendino ML. A fusarium head blight resistance quantitative trait locus on chromosome 7D of the spring wheat cultivar catbird. Crop Sci. 2013;53:1464–71. Zhu Z, Bonnett D, Ellis M, He X, Heslot N, Dreisigacker S, et al. Characterization of fusarium head blight resistance in a CIMMYT synthetic-derived bread wheat line. Euphytica. 2016;208:367–75. Islam MS, Brown-Guedira G, Sanford DV, Ohm H, Dong Y, McKendry AL. Novel QTL associated with the fusarium head blight resistance in Truman soft red winter wheat. Euphytica. 2016;207:571–92. Sun J, Ohm HW, Poland JA, Williams CE. Mapping four quantitative trait loci associated with type I fusarium head blight resistance in winter wheat ‘INW0412’. Crop Sci. 2016;56:1163–72. Anderson JA, Stack RW, Liu S, Waldron BL, Fjeld AD, Coyne C, et al. DNA markers for fusarium head blight resistance QTLs in two wheat populations. Theor Appl Genet. 2001;102:1164–8. Rawat N, Pumphrey MO, Liu S, Zhang X, Tiwari VK, Ando K, et al. Wheat Fhb1 encodes a chimeric lectin with agglutinin domains and a pore-forming toxin-like domain conferring resistance to fusarium head blight. Nat Genet. 2016;48:1576–80. Häberle J, Holzapfel J, Schweizer G, Hartl L. A major QTL for resistance against fusarium head blight in European winter wheat. Theor Appl Genet. 2009;119:325–32. Ma HX, Zhang KM, Gao L, Bai GH, Chen HG, Cai ZX, et al. Quantitative trait loci for resistance to fusarium head blight and deoxynivalenol accumulation in Wangshuibai wheat under field conditions. Plant Pathol. 2006;55:739–45. Gervais L, Dedryver F, Morlais JY, Bodusseau V, Negre S, Bilous M, et al. Mapping of quantitative trait loci for field resistance to fusarium head blight in a European winter wheat. Theor Appl Genet. 2003;106:961–70. Somers DJ, Fedak G, Savard M. Molecular mapping of novel genes controlling fusarium head blight resistance and deoxynivalenol accumulation in spring wheat. Genome. 2003;46:555–64. Mardi M, Buerstmayr H, Ghareyazie B, Lemmens M, Mohammadi SA, Nolz R, et al. QTL analysis of resistance to fusarium head blight in wheat using a ‘Wangshuibai’-derived population. Plant Breed. 2005;124:329–33. Shen X, Zhou M, Lu W, Ohm H. Detection of fusarium head blight resistance QTL in a wheat population using bulked segregant analysis. Theor Appl Genet. 2003;106:1041–7. Yang ZP, Gilbert J, Somers DJ, Fedak G, Procunier JD, McKenzie IH. Marker assisted selection of fusarium head blight resistance genes in two doubled-haploid populations of wheat. Mol Breeding. 2003;12:309–17. Zhuang Y, Gala A, Yen Y. Identification of functional genic components of major fusarium head blight resistance quantitative trait loci in wheat cultivar Sumai 3. Mol Plant Microbe In. 2013;26:442–50. Bernardo A, Bai G, Guo P, Xiao K, Guenzi AC, Ayoubi P. Fusarium graminearum induced changes in gene expression between fusarium head blight-resistant and susceptible wheat cultivars. Funct Integr Genomic. 2007;7:69–77. Steiner B, Kurz H, Lemmens M, Buerstmayr H. Differential gene expression of related wheat lines with contrasting levels of head blight resistance after Fusarium graminearum inoculation. Theor Appl Genet. 2009;118:753–64. Schweiger W, Steiner B, Ametz C, Siegwart G, Wiesenberger G, Berthiller F, et al. Transcriptomic characterization of two major Fusarium resistance quantitative trait loci (QTLs), Fhb1 and Qfhs. ifa-5A, identifies novel candidate genes. Mol Plant Pathol. 2013;14:772–85. Xiao J, Jin X, Jia X, Wang H, Cao A, Zhao W, et al. Transcriptome-based discovery of pathways and genes related to resistance against fusarium head blight in wheat landrace Wangshuibai. BMC Genomics. 2013;14:197. Kugler KG, Siegwart G, Nussbaumer T, Ametz C, Spannagl M, Steiner B, et al. Quantitative trait loci-dependent analysis of a gene co-expression network associated with fusarium head blight resistance in bread wheat (Triticum aestivum L.). BMC Genomics. 2013;14:728. Dhokane D, Karre S, Kushalappa AC, McCartney C. Integrated metabolo-transcriptomics reveals fusarium head blight candidate resistance genes in wheat QTL-Fhb2. PLoS One. 2016;11:e0155851. Long XY, Balcerzak M, Gulden S, Cao WG, Fedak G, Wei YM, et al. Expression profiling identifies differentially expressed genes associated with the fusarium head blight resistance QTL 2DL from the wheat variety Wuhan-1. Physiol Mol Plant Pathol. 2015;90:1–11. Biselli C, Bagnaresi P, Faccioli P, Hu X, Balcerzak M, Mattera MG, et al. Comprehensive transcriptome profiles of near-isogenic hexaploid wheat lines differing for effective alleles at the 2DL FHB resistance QTL. Frontiers Plant Science. 2018;9:37. https://doi.org/10.3389/fpls.2018.00037. Kage U, Yogendra KN, Kushalappa AC. TaWRKY70 transcription factor in wheat QTL-2DL regulates downstream metabolite biosynthesis genes to resist Fusarium gramninearum infection spread within spike. Sci Rep. 2017;7:42596. https://doi.org/10.1038/srep42596. McCartney CA, Somers DJ, Fedak G, DePauw RM, Thomas J, Fox SL, et al. The evaluation of FHB resistance QTLs introgressed into elite Canadian spring wheat germplasm. Molec Breeding. 2007;20:209–21. Somers DJ, Thomas J, DePauw R, Fox S, Humphreys G, Fedak G. Assembling complex genotypes to resist Fusarium in wheat (Triticum aestivum L.). Theor Appl Genet. 2005;111:1623–31. Gou L, Hattori J, Fedak G, Balcerzak M, Sharpe A, Visendi P, et al. Development and validation of Thinopyrum elongatum-expressed molecular markers specific for the long arm of chromosome 7E. Crop Sci. 2016;56:354–64. Pan Y, Liu Z, Rocheleau H, Fauteux F, Wang Y, McCartney C, Ouellet T. Transcriptome dynamics associated with resistance and susceptibility against Fusarium head blight in four wheat genotypes. BMC Genomics. 2018;19:642. https://doi.org/10.1186/s12864-018-5012-3. BLAST alignments to IWGSC RefSeq v1.0: https://urgi.versailles.inra.fr/blast_iwgsc/?dbgroup=wheat_iwgsc_refseq_v1_chromosomes&program=blastn; accessed in May 2018. https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/Blast.cgi?PROGRAM=blastn&PAGE_TYPE=BlastSearch&LINK_LOC=blasthome. https://www.ebi.ac.uk/Tools/msa/muscle/. Website: https://www.idtdna.com/site/account/login?returnurl=%2Fcalc%2Fanalyzer. Livak KJ, Schmittgen TD. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2−ΔΔCt method. Methods. 2001;25:402–8. Vandesompele J, Preter KD, Pattyn F, Poppe B, Roy NV, Paepe AD, et al. Accurate normalization of real-time quantitative RT-PCR data by geometric averaging of multiple internal control genes. Genome Biol. 2002;3:research0034.1. Wang S, Wong D, Forrest K, Allen A, Chao S, Huang BE, et al. Characterization of polyploid wheat genomic diversity using a high-density 90 000 single nucleotide polymorphism array. Plant Biotechnol J. 2014;12:787–96. Lorieux M. MapDisto: fast and efficient computation of genetic linkage maps. Mol Breeding. 2012;30:1231–5. Joehanes R, Nelson JC. QGene 4.0, an extensible Java QTL-analysis platform. Bioinformatics. 2008;24:2788–9. International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC). Shifting the limits in wheat research and breeding using a fully annotated reference genome. Science. 2018;361(6403):eaar7191. Diethelm M, Schmolke M, Groth J, Friedt W, Schweizer G, Hartl L. Association of allelic variation in two NPR1-like genes with fusarium head blight resistance in wheat. Mol Breeding. 2014;34:31–43. International Wheat Genome Sequencing Consortium (IWGSC). A chromosome-based draft sequence of the hexaploid bread wheat (Triticum aestivum) genome. Science. 2014;345:e1251788. Xue S, Xu F, Tang M, Zhou Y, Li G, An X, et al. Precise mapping Fhb5, a major QTL conditioning resistance to Fusarium infection in bread wheat (Triticum aestivum L.). Theor Appl Genet. 2011;123:1055–63. Zhang C, Zhang F. The multifunctions of WD-40 proteins in genome integrity and cell cycle progression. J Genokics. 2015;3:40–50. Martin-Arevalillo R, Nanaob MH, Larrieu A, Vinos-Poyo T, Mast D, Galvan-Ampudia C, et al. Structure of the Arabidopsis TOPLESS corepressor provides insight into the evolution of transcriptional repression. PNAS. 2017;114:8107–12. Chuang HW, Feng JH, Feng YL, Wei MJ. An Arabidopsis WDR protein coordinates cellular networks involved in light, stress response and hormone signals. Plant Sci. 2015;241:23–31. Tehlivets O, Malanovic N, Visram M, Pavkov-Keller T, Keller W. S-adenosyl-L-homocysteine hydrolase and methylation disorders: yeast as a model system. BBA-Mol Basis Dis. 2013;1832:204–15. Nagatoshi Y, Nakamura T. Arabidopsis HARMLESS TO OZONE LAYER protein methylates a glucosinolate breakdown product and functions in resistance to Pseudomonas syringae pv. maculicola. J Biol Chem. 2009;284:19301–9. Greeff C, Roux M, Mundy J, Petersen M. Receptor-like kinase complexes in plant innate immunity. Front Plant Sci. 2012;3:209. Yamaguchi K, Yamada K, Kawasaki T. Receptor-like cytoplasmic kinases are pivotal components in pattern recognition receptor-mediated signaling in plant immunity. Plant Signal Behav. 2013;8:e25662. https://doi.org/10.4161/psb.25662.