中国水稻科学 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (3): 352-364.DOI: 10.16819/j.1001-7216.2025.240502
韦新宇1,2,#, 曾跃辉1,2,#, 肖长春1,2, 黄建鸿1,2, 阮宏椿4, 杨旺兴2,3, 邹文广2,3, 许旭明2,3,*()
收稿日期:
2024-04-30
修回日期:
2024-07-23
出版日期:
2025-05-10
发布日期:
2025-05-21
通讯作者:
*email: fj63xxm@sina.com作者简介:
#共同第一作者
基金资助:
WEI Xinyu1,2,#, ZENG Yuehui1,2,#, XIAO Changchun1,2, HUANG Jianhong1,2, RUAN Hongchun4, YANG Wangxing2,3, ZOU Wenguang2,3, XU Xuming2,3,*()
Received:
2024-04-30
Revised:
2024-07-23
Online:
2025-05-10
Published:
2025-05-21
Contact:
*email: fj63xxm@sina.com
About author:
#These authors contributed equally to this work
摘要:
【目的】稻瘟病是一种由丝状子囊菌稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)引起的世界性真菌病害,严重影响水稻的品质和产量,培育和种植抗性品种是控制稻瘟病发生最经济有效的措施,而抗性基因的挖掘和利用是选育抗病品种的基础和关键。本研究以三明市农业科学研究院选育且具有广谱抗性的优质籼型杂交稻保持系康丰B (KFB)为研究材料,对其抗稻瘟病基因Pi-kf2(t)进行抗谱分析、克隆和功能验证。【方法】利用来自全国不同地区的100个稻瘟病菌株对KFB[Pi-kf2(t)]、75-1-127 (Pi9)、C101A51 (Pi2)、IRBLzt-T (Piz-t)、EBZ (Pi50)和GM 4 (Pigm) 3~4叶期幼苗进行喷雾接菌;结合半定量PCR (RT-PCR)和实时荧光定量PCR (qRT-PCR)技术对Pi-kf2(t)两个候选基因Pi-kf2(t)-NBS2和Pi-kf2(t)-NBS4进行表达模式分析;采用同源克隆技术并构建系统进化树对Pi-kf2(t)基因进行克隆以及分析Pi-kf2(t)与Pi9、Pi2、Piz-t、Pi50和Pigm之间的进化关系;通过转基因互补试验对Pi-kf2(t)候选基因进行功能验证。【结果】Pi-kf2(t)与Pi9、Pi2、Piz-t、Pi50和Pigm存在明显的抗谱差异,其抗谱分别为93%、90%、91%、78%、95%和96%;候选基因Pi-kf2(t)-NBS2在KFB苗期叶片具有较高的表达水平且不受稻瘟病菌诱导,属于组成型表达,而Pi-kf2(t)-NBS4表达量极低;多重氨基酸序列比对分析表明,Pi-kf2(t)-NBS2与Pi9、Pi2、Piz-t、Pi50和Pigm蛋白分别存在45、31、34、2和2个氨基酸的差异;系统进化树分析表明,Pi-kf2(t)-NBS2与Pi50和Pigm具有更近的亲缘关系和更高的同源性;另外,转基因互补试验进一步验证了候选基因Pi-kf2(t)-NBS2即为Pi-kf2(t)抗稻瘟病基因。【结论】Pi-kf2(t)为Pi2/Pi9基因家族中一个新的稻瘟病抗性基因,本研究为Pi-kf2(t)后期抗病机理研究提供了理论基础,同时为选育抗稻瘟病水稻新品种提供了重要种质资源。
韦新宇, 曾跃辉, 肖长春, 黄建鸿, 阮宏椿, 杨旺兴, 邹文广, 许旭明. 水稻康丰B抗稻瘟病基因Pi-kf2(t)的克隆与功能验证[J]. 中国水稻科学, 2025, 39(3): 352-364.
WEI Xinyu, ZENG Yuehui, XIAO Changchun, HUANG Jianhong, RUAN Hongchun, YANG Wangxing, ZOU Wenguang, XU Xuming. Cloning and Functional Verification of Rice-Blast Resistance Gene Pi-kf2(t) in Kangfeng B[J]. Chinese Journal OF Rice Science, 2025, 39(3): 352-364.
编号Number | 菌种名称Isolate | 来源 Origin | 编号Number | 菌种名称Isolate | 来源 Origin | 编号Number | 菌种名称Isolate | 来源 Origin | 编号Number | 菌种名称 Isolate | 来源 Origin |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
J01 | 2022075 | 福建福州 | J26 | 2021146 | 广东惠州 | J51 | 2021137 | 福建沙县 | J76 | 2022027 | 福建武夷山 |
J02 | 2021024 | 福建武夷山 | J27 | 2021021 | 广东惠州 | J52 | 2022026 | 福建武夷山 | J77 | 2021033 | 江西婺源 |
J03 | 2022048 | 湖北恩施 | J28 | 2021119 | 福建连城 | J53 | 2021048 | 福建将乐 | J78 | 2022037 | 福建浦城 |
J04 | 2022036 | 湖北恩施 | J29 | 2021013 | 福建尤溪 | J54 | 2021018 | 江西婺源 | J79 | 2021036 | 福建宁化 |
J05 | 2022024 | 福建建阳 | J30 | 2021121 | 福建连城 | J55 | 2021032 | 江西婺源 | J80 | 2023020 | 湖北恩施 |
J06 | 2023090 | 福建柘荣 | J31 | 2020117 | 安徽肥西 | J56 | 2023112 | 福建宁化 | J81 | 2022006 | 福建上杭 |
J07 | 2021017 | 江苏扬州 | J32 | 2022072 | 安徽肥西 | J57 | 2022005 | 福建上杭 | J82 | 2023019 | 江苏扬州 |
J08 | 2020062 | 江苏扬州 | J33 | 2021001 | 福建福州 | J58 | 2020114 | 安徽肥西 | J83 | 2020156 | 江苏扬州 |
J09 | 2021085 | 福建上杭 | J34 | 2023104 | 江西婺源 | J59 | 2020059 | 安徽肥西 | J84 | 2022044 | 湖北宜昌 |
J11 | 2020010 | 福建宁化 | J36 | 2021078 | 湖北宜昌 | J61 | 2023131 | 福建将乐 | J86 | 2022063 | 福建莆田 |
J12 | 2021068 | 福建莆田 | J37 | 2022065 | 湖北恩施 | J62 | 2020107 | 福建松溪 | J87 | 2021031 | 福建松溪 |
J13 | 2021092 | 福建福安 | J38 | 2022021 | 福建建阳 | 163 | 2023034 | 江苏扬州 | J88 | 2020017 | 江西井冈山 |
J14 | 2022078 | 福建漳州 | J39 | 2021037 | 福建宁化 | J64 | 2022032 | 福建浦城 | J89 | 2021016 | 江西井冈山 |
J15 | 2021122 | 福建连城 | J40 | 2023018 | 江西婺源 | J65 | 2020061 | 福建将乐 | J90 | 2023035 | 江苏扬州 |
J16 | 2022074 | 福建福州 | J41 | 2022049 | 福建福安 | J66 | 2020041 | 福建上杭 | J91 | 2021084 | 福建上杭 |
J17 | 2021034 | 江西井冈山 | J42 | 2021138 | 福建沙县 | J67 | 2022045 | 湖北宜昌 | J92 | 2022085 | 福建南靖 |
J18 | 2022008 | 江西井冈山 | J43 | 2021049 | 福建将乐 | J68 | 2022081 | 福建漳州 | J93 | 2021081 | 福建三明 |
J19 | 2021080 | 福建三明 | J44 | 2021027 | 福建武夷山 | J69 | 2023029 | 江苏徐州 | J94 | 2022007 | 福建将乐 |
J20 | 2021040 | 福建将乐 | J45 | 2021035 | 江西井冈山 | J70 | 2023004 | 福建福州 | J95 | 2023037 | 江西井冈山 |
J21 | 2021009 | 福建沙县 | J46 | 2021020 | 江苏扬州 | J71 | 2021141 | 福建沙县 | J96 | 2020143 | 福建浦城 |
J22 | 2022046 | 湖北恩施 | J47 | 2022015 | 江苏扬州 | J72 | 2023003 | 江苏徐州 | J97 | 2020105 | 福建松溪 |
J23 | 2022011 | 湖北宜昌 | J48 | 2021014 | 福建尤溪 | J73 | 2023031 | 江苏徐州 | J98 | 2020039 | 福建上杭 |
J24 | 2023014 | 福建三明 | J49 | 2023041 | 福建建阳 | J74 | 2021149 | 广东惠州 | J99 | 2022004 | 福建上杭 |
J25 | 2022018 | 福建三明 | J50 | 2021072 | 福建莆田 | J75 | 2021005 | 广东惠州 | J100 | 2023042 | 江苏徐州 |
表1 来自全国不同地区的100个稻瘟病菌株
Table 1. 100 Magnaporthe oryzae isolates originated from different regions of China
编号Number | 菌种名称Isolate | 来源 Origin | 编号Number | 菌种名称Isolate | 来源 Origin | 编号Number | 菌种名称Isolate | 来源 Origin | 编号Number | 菌种名称 Isolate | 来源 Origin |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
J01 | 2022075 | 福建福州 | J26 | 2021146 | 广东惠州 | J51 | 2021137 | 福建沙县 | J76 | 2022027 | 福建武夷山 |
J02 | 2021024 | 福建武夷山 | J27 | 2021021 | 广东惠州 | J52 | 2022026 | 福建武夷山 | J77 | 2021033 | 江西婺源 |
J03 | 2022048 | 湖北恩施 | J28 | 2021119 | 福建连城 | J53 | 2021048 | 福建将乐 | J78 | 2022037 | 福建浦城 |
J04 | 2022036 | 湖北恩施 | J29 | 2021013 | 福建尤溪 | J54 | 2021018 | 江西婺源 | J79 | 2021036 | 福建宁化 |
J05 | 2022024 | 福建建阳 | J30 | 2021121 | 福建连城 | J55 | 2021032 | 江西婺源 | J80 | 2023020 | 湖北恩施 |
J06 | 2023090 | 福建柘荣 | J31 | 2020117 | 安徽肥西 | J56 | 2023112 | 福建宁化 | J81 | 2022006 | 福建上杭 |
J07 | 2021017 | 江苏扬州 | J32 | 2022072 | 安徽肥西 | J57 | 2022005 | 福建上杭 | J82 | 2023019 | 江苏扬州 |
J08 | 2020062 | 江苏扬州 | J33 | 2021001 | 福建福州 | J58 | 2020114 | 安徽肥西 | J83 | 2020156 | 江苏扬州 |
J09 | 2021085 | 福建上杭 | J34 | 2023104 | 江西婺源 | J59 | 2020059 | 安徽肥西 | J84 | 2022044 | 湖北宜昌 |
J11 | 2020010 | 福建宁化 | J36 | 2021078 | 湖北宜昌 | J61 | 2023131 | 福建将乐 | J86 | 2022063 | 福建莆田 |
J12 | 2021068 | 福建莆田 | J37 | 2022065 | 湖北恩施 | J62 | 2020107 | 福建松溪 | J87 | 2021031 | 福建松溪 |
J13 | 2021092 | 福建福安 | J38 | 2022021 | 福建建阳 | 163 | 2023034 | 江苏扬州 | J88 | 2020017 | 江西井冈山 |
J14 | 2022078 | 福建漳州 | J39 | 2021037 | 福建宁化 | J64 | 2022032 | 福建浦城 | J89 | 2021016 | 江西井冈山 |
J15 | 2021122 | 福建连城 | J40 | 2023018 | 江西婺源 | J65 | 2020061 | 福建将乐 | J90 | 2023035 | 江苏扬州 |
J16 | 2022074 | 福建福州 | J41 | 2022049 | 福建福安 | J66 | 2020041 | 福建上杭 | J91 | 2021084 | 福建上杭 |
J17 | 2021034 | 江西井冈山 | J42 | 2021138 | 福建沙县 | J67 | 2022045 | 湖北宜昌 | J92 | 2022085 | 福建南靖 |
J18 | 2022008 | 江西井冈山 | J43 | 2021049 | 福建将乐 | J68 | 2022081 | 福建漳州 | J93 | 2021081 | 福建三明 |
J19 | 2021080 | 福建三明 | J44 | 2021027 | 福建武夷山 | J69 | 2023029 | 江苏徐州 | J94 | 2022007 | 福建将乐 |
J20 | 2021040 | 福建将乐 | J45 | 2021035 | 江西井冈山 | J70 | 2023004 | 福建福州 | J95 | 2023037 | 江西井冈山 |
J21 | 2021009 | 福建沙县 | J46 | 2021020 | 江苏扬州 | J71 | 2021141 | 福建沙县 | J96 | 2020143 | 福建浦城 |
J22 | 2022046 | 湖北恩施 | J47 | 2022015 | 江苏扬州 | J72 | 2023003 | 江苏徐州 | J97 | 2020105 | 福建松溪 |
J23 | 2022011 | 湖北宜昌 | J48 | 2021014 | 福建尤溪 | J73 | 2023031 | 江苏徐州 | J98 | 2020039 | 福建上杭 |
J24 | 2023014 | 福建三明 | J49 | 2023041 | 福建建阳 | J74 | 2021149 | 广东惠州 | J99 | 2022004 | 福建上杭 |
J25 | 2022018 | 福建三明 | J50 | 2021072 | 福建莆田 | J75 | 2021005 | 广东惠州 | J100 | 2023042 | 江苏徐州 |
图1 康丰B(KFB)抗稻瘟病基因Pi-kf2(t)的抗谱分析 A: KFB、75-1-127、C101A51、IRBLzt-T、EBZ和GM-4对100个稻瘟病菌株的抗性反应; 其中, J01-J100代表来自全国不同地区100个稻瘟病菌株, R%代表抗谱, R、MR、MS、S和HS分别表示为抗、中抗、中感、感和高感稻瘟病; B, C, D: KFB、75-1-127、C101A51、IRBLzt-T、EBZ和GM-4对稻瘟病菌株J71 (B)、J91 (C)和J93 (D)的抗性反应。1: KFB; 2: 75-1-127; 3: C101A51; 4: IRBLzt-T; 5: EBZ; 6: GM-4。
Fig. 1. Resistance spectrum analysis of rice blast resistance gene Pi-kf2(t) in KFB A, Reaction of KFB, 75-1-127, C101A51, IRBLzt-T, EBZ, and GM-4 to 100 isolates of Magnaporthe oryzae. J01-J100, The 100 isolates were collected from different regions of China. R%, Resistance spectrum. R, MR, MS, S, and HS represent resistance, mid-resistance, mid-susceptibility, susceptibility, and high-susceptibility to rice blast, respectively; B, C, D, Reaction of KFB, 75-1-127, C101A51, IRBLzt-T, EBZ, and GM-4 to J71(B), J91(C), and J93(D), where 1, 2, 3, 4, 5, and 6 represent KFB, 75-1-127, C101A51, IRBLzt-T, EBZ, and GM-4, respectively.
引物名称 Primer name | 引物序列 Primer sequence (5'-3') | 用途 Usage | 预测PCR产物大小 Excepted PCR product size(bp) |
---|---|---|---|
NBS2-Q-F | CTGCTAATGTACAGTGACCGA | NBS-LRR2基因qPCR检测 | 111 |
NBS2-Q-R | AGTGACTGATCCTTCGGCAT | qPCR detection for NBS-LRR2 | |
NBS4-Q-F | TGATCACGACCTTGCTTGTG | NBS-LRR4基因qPCR检测 | 122 |
NBS4-Q-R | CTGACCTGTTGTTCGACGTC | qPCR detection for NBS-LRR4 | |
HPT-F | ATTTGTGTACGCCCGACAGT | 鉴定HPT | 577 |
HPT-R | GTGCTTGACATTGGGGAGTT | PCR detection for HPT | |
NBS2Seq-01F | CCCAAGTGAGGATGCAAAACA | NBS-LRR2基因测序 | 803 |
NBS2Seq-01R | TGACATGCAAGAAACGGGTG | Sequencing for NBS-LRR2 | |
NBS2Seq-02F | TGGCTAGGCTTACGTTTTGG | NBS-LRR2基因测序 | 2219 |
NBS2Seq-02R | ACAACGAAGAGTATGCAGACA | Sequencing for NBS-LRR2 | |
NBS2Seq-03F | AGGATGTTACGGGTCTTGGA | NBS-LRR2基因测序 | 2107 |
NBS2Seq-03R | AACAACTGCAGGCCAAACAA | Sequencing for NBS-LRR2 | |
OsActin-F | ACCTTCAACACCCCTGCTAT | 内参基因OsActin qPCR检测 | 105 |
OsActin-R | CACCATCACCAGAGTCCAAC | qPCR detection for OsActin (as internal standard) |
表2 本研究所使用的引物序列
Table 2. Sequences of primers used in this study
引物名称 Primer name | 引物序列 Primer sequence (5'-3') | 用途 Usage | 预测PCR产物大小 Excepted PCR product size(bp) |
---|---|---|---|
NBS2-Q-F | CTGCTAATGTACAGTGACCGA | NBS-LRR2基因qPCR检测 | 111 |
NBS2-Q-R | AGTGACTGATCCTTCGGCAT | qPCR detection for NBS-LRR2 | |
NBS4-Q-F | TGATCACGACCTTGCTTGTG | NBS-LRR4基因qPCR检测 | 122 |
NBS4-Q-R | CTGACCTGTTGTTCGACGTC | qPCR detection for NBS-LRR4 | |
HPT-F | ATTTGTGTACGCCCGACAGT | 鉴定HPT | 577 |
HPT-R | GTGCTTGACATTGGGGAGTT | PCR detection for HPT | |
NBS2Seq-01F | CCCAAGTGAGGATGCAAAACA | NBS-LRR2基因测序 | 803 |
NBS2Seq-01R | TGACATGCAAGAAACGGGTG | Sequencing for NBS-LRR2 | |
NBS2Seq-02F | TGGCTAGGCTTACGTTTTGG | NBS-LRR2基因测序 | 2219 |
NBS2Seq-02R | ACAACGAAGAGTATGCAGACA | Sequencing for NBS-LRR2 | |
NBS2Seq-03F | AGGATGTTACGGGTCTTGGA | NBS-LRR2基因测序 | 2107 |
NBS2Seq-03R | AACAACTGCAGGCCAAACAA | Sequencing for NBS-LRR2 | |
OsActin-F | ACCTTCAACACCCCTGCTAT | 内参基因OsActin qPCR检测 | 105 |
OsActin-R | CACCATCACCAGAGTCCAAC | qPCR detection for OsActin (as internal standard) |
图2 Pi-kf2(t)候选基因的表达模式分析 A、C、E: 通过RT-PCR分析康丰B苗期叶片在接种稻瘟病菌株J71(A)、J91(C)和J93(E)后0、6、12、24、48和96 h候选基因Pi-kf2(t)-NBS2和Pi-kf2(t)-NBS4的表达模式;B、D、F: 通过qRT-PCR分析KFB苗期叶片在接种稻瘟病菌株J71(B)、J91(D)和J93(F)后0、6、12、24、48和96 h候选基因Pi-kf2(t)-NBS2的表达模式;G: 通过RT-PCR分析KFB苗期叶片在模拟接菌后0、6、12、24、48和96 h候选基因Pi-kf2(t)-NBS2和Pi-kf2(t)-NBS4的表达模式;H: 通过qRT-PCR分析KFB苗期叶片在模拟接菌后0、6、12、24、48和96 h候选基因Pi-kf2(t)-NBS2的表达模式。
Fig. 2. Expression pattern analysis of Pi-kf2(t) candidate gene A, C, E, Expression patterns of candidate genes Pi-kf2(t)-NBS2 and Pi-kf2(t)-NBS4 in KFB seedling leaves at 0, 6, 12, 24, 48, and 96 h after inoculation with the isolates J71(A), J91(C), and J93(E), determined by RT-PCR; B, D, F, Expression patterns of candidate genes Pi-kf2(t)-NBS2 in KFB seedling leaves at 0, 6, 12, 24, 48, and 96 h after inoculation with the isolates J71(B), J91(D), and J93(F), determined by qRT-PCR;G, Expression patterns of candidate genes Pi-kf2(t)-NBS2 and Pi-kf2(t)-NBS4 in KFB seedling leaves at 0, 6, 12, 24, 48, and 96 h after mock inoculation, determined by RT-PCR; H, The expression patterns of candidate genes Pi-kf2(t)-NBS2 in KFB seedling leaves at 0, 6, 12, 24, 48, and 96 h after mock inoculation, determined by qRT-PCR.
图3 Pi-kf2(t)-NBS2与Pi9、Pi2、Piz-t/Pizh、Pi50和Pigm氨基酸序列比对分析 深蓝色突出显示的是相同氨基酸,粉红色和淡蓝色突出显示的是相似氨基酸,红色矩形表示LRR区域富含亮氨酸重复(xxLxLxx)基序。
Fig. 3. Amino-acid sequences alignment of Pi-kf2(t)-NBS2 with Pi9, Pi2, Piz-t/Pizh, Pi50, and Pigm Dark blue highlights identical residues, while similar residues are marked in pink or light blue, and red rectangles indicate the xxLxLxx motifs of LRR domain.
图4 Pi-kf2(t)-NBS2与Pi9-type1~Pi9-type13氨基酸序列比对分析 深蓝色突出显示的是相同氨基酸,粉红色和淡蓝色突出显示的是相似氨基酸,红色矩形表示LRR区域富含亮氨酸重复(xxLxLxx)基序。
Fig. 4. Amino-acid sequences alignment of Pi-kf2(t)-NBS2 with Pi9-type1-Pi9-type13 Dark blue highlights identical residues, while similar residues are marked in pink or light blue, and red rectangles indicate the xxLxLxx motifs of LRR domain.
图5 Pi-kf2(t)-NBS2与Pi9、Pi2、Piz-t/Pizh、Pi50、Pigm和Pi9-type1~Pi9-type13蛋白序列系统进化树分析
Fig. 5. A phylogenetic tree representing the alignment of Pi-kf2(t)-NBS2 and protein sequences of Pi9, Pi2, Piz-t/Pizh, Pi50, Pigm, and Pi9-type1-Pi9-type13
图6 候选基因Pi-kf2(t)-NBS2的功能验证 A: 利用潮霉素抗性标记引物HPT-F/R鉴定T0代阳性转基因单株,其中“+”和“−”分别表示阳性对照和阴性对照;B: qRT-PCR分析过表达转基因株系中候选基因Pi-kf2(t)-NBS2的表达水平,其中“**”代表在0.01水平上的极显著差异,误差线表示标准差(SD);C: 过表达转基因株系T1代单株接种稻瘟病菌株(J71,J91和J93)的抗性反应,其中“R”和“S”分别代表抗病和感病,Pi-kf2(t)-NBS2-OE2#、Pi-kf2(t)-NBS2-OE5#和Pi-kf2(t)-NBS2-OE7#株系分别接种稻瘟病菌株J71、J91和J93;D: RT-PCR分析T1代转基因株系单株中候选基因Pi-kf2(t)-NBS2的表达。
Fig. 6. Functional verification of candidate gene Pi-kf2(t)-NBS2 A, PCR identification of the positive transgenic plants in the overexpressed lines of T0 generation with HPT-F/R, where “+” and “−” indicate the positive control and negative control, respectively; B, Expression levels of Pi-kf2(t)-NBS2 candidate gene in the overexpressed transgenic lines, determined by qRT-PCR, where “**” indicates significant differences at 0.01 level and error bars represent the standard deviation (SD); C, Reaction of T1 transgenic lines inoculated with the isolates J71, J91, and J93, where “R” and “S” represent resistance and susceptibility to rice blast, respectively. Pi-kf2(t)-NBS2-OE2#, Pi-kf2(t)-NBS2-OE5#, and Pi-kf2(t)-NBS2-OE7# were inoculated with isolates J71, J91, and J81, respectively; D, Expression analysis of Pi-kf2(t)-NBS2 candidate gene in the individual plant of T1 transgenic lines, determined by RT-PCR.
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