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Isolation and expression analysis of resistance related genes in incompatible interaction between watermelon and Fusarium oxysporum f. sp. niveurn

西瓜与枯萎病菌非亲和互作相关基因的分离及表达分析



全 文 :植物病理学报
ACTA PHYTOPATHOLOGICA SINICA  45(1): 22 ̄32(2015)
收稿日期: 2014 ̄01 ̄16ꎻ 修回日期: 2014 ̄09 ̄16
基金项目: 广西自然科学基金重点项目( 2010GXNSFD013031)ꎬ第 46 批教育部留学回国人员科研启动基金ꎬ自治区主席科技资金
(1324102)
通讯作者: 王日升ꎬ副研究员ꎬ主要从事蔬菜分子生物学研究ꎻTel:0771 ̄3249201ꎬE ̄mail:shengriwang@126.com
第一作者: 李猷ꎬ男ꎬ江西宁都人ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事植物分子生物学研究ꎻE ̄mail:ly131452099@163.comꎮ
doi:10.13926 / j.cnki.apps.2015.01.004
西瓜与枯萎病菌非亲和互作相关
基因的分离及表达分析
李 猷1ꎬ3ꎬ 王日升2ꎬ3∗ꎬ 董登峰1ꎬ 张 曼2ꎬ 刘文君2ꎬ 陈振东2ꎬ 董文斌2
( 1广西大学农学院ꎬ南宁 530004ꎻ 2广西农业科学院蔬菜所ꎬ南宁 530007ꎻ 3广西作物遗传改良生物技术重点开放实验室ꎬ南宁 530007 )
摘要:从整体水平阐明西瓜对西瓜枯萎病菌 1号生理小种的抗病分子机制和抗病相关基因的表达特征ꎬ以高抗枯萎病菌 1
号生理小种的西瓜品种“卡红(Calhoun Gray)”为试材ꎬ接种西瓜枯萎病菌和蒸馏水的根尖组织作为测验方(Tester)和驱动
方(Driver)ꎬ构建西瓜枯萎病菌胁迫的 SSH ̄cDNA正向文库ꎮ 利用反向 Northern 斑点杂交技术对文库中克隆进行杂交筛
选ꎮ 随机测序 300个阳性克隆ꎬ序列比对分析ꎬ利用 RT ̄PCR 技术分析抗病相关基因的表达特性ꎮ 259 条 EST 成功测序ꎬ
167条与已知基因具有较高的同源性ꎬ占全部 ESTs的 65.5%ꎬ其中与抗病和防卫相关的有 64条 23种ꎬ占 24.7%ꎻ卡红对枯
萎病菌 1号生理小种的抗性相关基因主要涉及抗病信号传导、抗病防卫、转录因子、次生代谢合成和细胞保护等方面ꎻ
Aquaporin和 Peroxidase基因在接种后表达量均增加ꎮ Calhoun Gray 对枯萎病菌侵染作出的反应是全方位多方面的ꎬ抗病
相关基因主要集中在系统获得性抗性反应中ꎬ获得了一些 Calhoun Gray与野生西瓜 PI296341 在与枯萎病生理小种 1 互作
中差异表达的基因ꎬ为深入研究西瓜与枯萎病菌互作的分子机制以及关键基因的功能分析奠定基础ꎮ
关键词:西瓜ꎻ 枯萎病ꎻ 抑制消减杂交ꎻ 表达序列标签ꎻ RT ̄PCR
Isolation and expression analysis of resistance related genes in incompatible
interaction between watermelon and Fusarium oxysporum f. sp. niveurn  LI You1ꎬ3ꎬ
WANG Ri ̄sheng2ꎬ3ꎬ DONG Deng ̄feng1ꎬ ZHANG Man2ꎬ LIU Wen ̄jun2ꎬ CHEN Zhen ̄dong2ꎬ DONG Wen ̄
bin2   ( 1Agricultural Collegeꎬ Guangxi Universityꎬ Nanning 530004ꎬ Chinaꎻ 2Vegetable Research Instituteꎬ Guangxi Academy
of Agricultural Sciencesꎬ Nanning 530007ꎬ Chinaꎻ 3Guangxi Crop Genetic Improvement and Biotechnology Laboratoryꎬ Nanning
530007ꎬ China )
Abstract: Resistance system induced by Fusarium oxysporum f. sp. niveurn in watermelon was described
from the whole levelꎬ and expression characteristics of the related genes were analyzed. “Calhoun Gray”ꎬ a
watermelon variety with high resistance to Fusarium wilt physiological race 1 was used as the test materialꎬ
and a cDNA library was constructed by suppression subtractive hybridization (SSH) using root tip tissues sam ̄
pled at 0、6、12、24、36、48 and 72 h after inoculation with race 1 of F. oxysporum f. sp. niveurn or distilled wa ̄
ter. The induced clones were verified by reverse Northern dot ̄blotꎬ and 300 positive clones were randomly se ̄
quencedꎬ and the expression of two important genes was studied by RT ̄PCR. A total of 259 differentially ex ̄
pressed sequences were screened outꎬ and 167 of them were quite similar to the known genesꎬ accounting for
65.5%ꎻ Among of themꎬ 64 genes are related to disease resistance and defenseꎬ accounting for 24.7%. Blast
results showed that the resistance related genes of Calhoun Gray included signal transductionꎬ disease defenseꎬ
transcription factorꎬ secondary metabolism synthesisꎬ plant cell protectionꎬ etc. Further analysis indicated that
 
  1期 李 猷ꎬ等:西瓜与枯萎病菌非亲和互作相关基因的分离及表达分析
expression of aquaporin and peroxidase genes were both increased after inoculation with Fusarium wilt physio ̄
logical race 1. The interaction between Calhoun Gray and F. oxysporum involves many aspectsꎬ which is
similar to that of PI296341. The resistance related genes are mainly those participating in systemic acquired
resistance reactionꎬ and genes exclusively expressed in Calhoun Gray but not in PI296341 were gained. These
results make a good foundation for further exploration of molecular mechanism between watermelon and
F. oxysporum and identification of the key resistant genes.
Key words: Citrullus lanatusꎻ Fusarium oxysporumꎻ SSH ̄cDNA libraryꎻ ESTꎻ RT ̄PCR
中图分类号: S432ꎬS188    文献标识码: A    文章编号: 0412 ̄0914(2015)01 ̄0022 ̄11
    西瓜枯萎病是由半知菌亚门镰孢属尖孢镰刀
菌(Fusarium oxysporum f.sp. niveurn)寄生引起的
一种世界性真菌土传病害ꎬ国际公认的西瓜枯萎病
菌有 0、1和 2三个生理小种ꎬ我国以 1号生理小种
为主[1]ꎮ 西瓜枯萎病在我国广泛发生ꎬ病田一般
减产 20% ~ 30%ꎬ严重的可达 50%以上ꎬ甚至绝
产[2]ꎮ 采用抗病品种是防治西瓜枯萎病最经济有
效的途径ꎬ明确枯萎病菌与西瓜之间的互作机理可
为西瓜枯萎病抗病育种提供可靠的理论依据ꎬ对防
治西瓜枯萎病具有重要意义ꎮ 目前ꎬ西瓜抗枯萎病
机理研究主要涉及组织学、生理、生物化学及分子
标记方面ꎬ已明确根系组织结构和生理生化方面存
在抗病因子[3 ꎬ 4]ꎬ西瓜野生种质 PI296341 与枯萎
病菌 1 号生理小种互作机理的研究发现一些转
录因子、激酶、防卫基因和抗病基因ꎬ同时发现
了茉莉酸和木质素两个抗病途径 [2] ꎮ 虽然
PI296341 具有抗西瓜枯萎病 0、1、2 三个生理小
种的抗源ꎬ抗病品种 Calhoun gray 具有抗西瓜枯
萎病生理小种 0、1 两个抗源 [1] ꎬ但是由于 Cal ̄
houn gray 与 PI296341 具有不同的抗病血缘、抗
病遗传规律也不同 [5] ꎬ因而以 Calhoun gray 为
试材研究生理小种 1 介导的抗枯萎病机制可从
另一角度了解抗生理小种 1 机制ꎮ 了解西瓜抗
枯萎病相关基因表达与调控情况ꎬ为系统揭示
西瓜抗枯萎病分子机理奠定基础ꎮ
1  材料与方法
1.1  材料
    国际公认的抗枯萎病生理小种 1 的西瓜品种
“卡红(Calhoun Gray)”和西瓜专化型枯萎病菌
(F. oxysporum f. sp. niveurn)1号生理小种均由国
家蔬菜工程技术研究中心许勇研究员惠赠ꎮ
1.2  枯萎病菌接种
    采用国际通用的苗期抗性接种鉴定方法—浸
根法[6]ꎬ对照接种蒸馏水ꎮ 接种后的 0、6、12、24、
36、48 和 72 h 分别取根尖组织ꎬ液氮速冻ꎬ-80℃
保存ꎮ
1.3  SSH ̄cDNA正向文库的构建
    采用植物总 RNA提取试剂盒(天根生化科技
(北京)有限公司)分别提取对照和处理的根系总
RNAꎬ用 mRNA 纯化试剂盒(天根生化科技(北
京)有限公司)纯化 mRNAꎬ1.5%琼脂糖凝胶电泳
检测总 RNA和 mRNA的质量ꎮ 以处理 mRNA 为
Testerꎬ对照 mRNA 为 Driverꎬ按照 PCR ̄SelectTM
cDNA Subtraction Kit(Clontech)说明书进行两次
差减杂交ꎮ 将 PCR 产物转化到 pMD18 ̄Tvector
(TaKaRa)ꎬ随机挑选白色克隆接种到选择性 LB
液体培养基(含 Amp)ꎬ利用菌液 PCR 法检测插入
片段大小ꎮ
1.4  差示筛选 SSH cDNA文库
    SSH 文库中克隆依照 Roche 公司 DIG High
Prime DNA Labeling and Detection starter KitⅠ进
行反向 Northern杂交验证ꎬ对照探针为接种蒸馏水
的双链 cDNAꎬ处理探针为接种菌液的双链cDNAꎮ
将只出现在处理探针杂交膜上或杂交信号强度高
于对照 2倍以上的克隆视为阳性克隆ꎮ
1.5  EST分析
    随机挑取 300个阳性克隆测序ꎬ测序结果去除
载体后ꎬ将非冗余 EST 进行 BLASTx 和 BLASTn
同源性比对ꎬ比对结果显著性序列的判别标准参照
Li等[7]的方法ꎬ并按照 Bevan 等[8]的植物基因功
能分类标准对结果进行功能注释、分类和分析ꎮ
32
 
植物病理学报 45卷
1.6  RT ̄PCR分析
    提取枯萎病菌接种 0、6、12、24、48 和 72 h 的
根系总 RNAꎬ利用 SuperScrip III RT ( Invitrogen)
将其反转录为 cDNAꎮ 利用 Applied biosystems
(USA) 7500 Fast 测定水通道蛋白(Aquaporin)和
过氧化物酶(Peroxidase)基因表达量ꎬ内参为 18S
rRNAꎮ PCR试剂购自 Invitrogen 公司ꎬ反应体系:
2.0 μL 10×PCR Bufferꎬ2.0 μL Mg2+ (25 mM) ꎬ
0.5 μLdNTPs (25 mM)ꎬ上游和下游引物(见表 1ꎬ
10μM)各 0. 5 μLꎬ1.0 μL cDNAꎬ 1.0 μL SYBR
(20×)ꎬ0. 2 μL Platinum Taq polymeraseꎬ补水至
20 μLꎮ 扩增条件: 95℃ 2 minꎻ 95℃ 10 sꎬ 60℃
30 sꎬ70℃ 30 sꎬ共 36 个循环ꎮ 18S rRNA 退火温
度 60℃ꎬ30 个循环ꎻAquaporin 和 Peroxidase 退火
温度 60℃ꎬ35 个循环ꎮ 每组处理重复 3 次ꎮ
Table 1  Primer of target genes
Target gene Sequence of primers
Aquaporin
5′ ̄GGGGTGGAGCTAACGTTGTG ̄3′
5′ ̄TGGCGGAGAAGACGGTGTAA ̄3′
Peroxidase
5′ ̄GTGGTGGTGGCTTTGATGCT ̄3′
5′ ̄GGGCAACCACGTTGAGAACA ̄3′
18S rRNA
5′ ̄CATCCAAGGAAGGCAGCAGG ̄3′
5′ ̄CAGACTCGAAGAGCCCGGTA ̄3′
 
1.7  数据统计分析
    将目的基因 ct 的平均值 ̄看家基因 ct 的平均
值作为零计算ꎬ实时荧光定量 PCR 数据计算采用
2 ̄△△ c tꎬ图 5、6中纵坐标数值为平均值ꎮ
2  结果与分析
2.1  西瓜根系总 RNA和mRNA的质量检测
    根系组织总 RNA 共包含两清晰条带ꎬ其中
28S 条带的亮度约为 18S 的两倍以上 (图 1)ꎬ
A260 / A280 值介于 1.8~2.0ꎬ表明总 RNA无降解、
纯度高ꎬ纯化后 mRNA 呈弥散状ꎬ达到建库要求
(图 1)ꎬ双链 cDNA 呈弥散状且分布在 0.2 ~ 4 kb
之间(图 2)ꎬ表明合成的双链 cDNA质量高ꎮ
2.2  SSH文库构建
    运用 SSH技术进行正向差减杂交ꎬSSH ̄cDNA
文库共获得 1 400 余个克隆ꎮ 随机挑取白色克隆
进行 PCR 扩增ꎬ插入片段介于 200 ~ 800 bp 之间
(图 3)ꎬ平均为 400~500 bpꎬ表明构建的文库质量
较好ꎮ
Fig. 1  RNA and mRNA of root tissues from
tester and driver
Driver: Root inoculated with distilled waterꎻ Tester: Root
inoculated with Fusarium wilt physiological race 1. Lane1:
Total RNA of testerꎻ Lane 2: Total RNA of driverꎻ Lane 3:
Purified mRNA of testerꎻ Lane 4: Purified mRNA of driver.
Fig. 2   Double stranded cDNA of tester and
driver
Lane 1: ds cDNA of testerꎻ Lane 2: ds cDNA of driver.
2.3  差示筛选 SSH ̄cDNA文库结果
    对经菌液 PCR法鉴定过的克隆进行点阵膜杂
交筛选ꎬ通过比较信号强度ꎬ确定只出现在处理探
针杂交膜上或是杂交信号强度高于对照 2 倍以上
为阳性克隆ꎬ图 4为部分克隆的检测结果ꎮ
42
 
  1期 李 猷ꎬ等:西瓜与枯萎病菌非亲和互作相关基因的分离及表达分析
Fig. 3  Some PCR amplification results of SSH library
M: DNA Markerꎬ DM2000ꎻ 1 ̄17: Insert fragments.
Fig. 4  Screening of positive clones by reverse Northern hybridization analysis
Control probe: ds cDNA from root inoculated with distilled waterꎻ
Treatment probe: ds cDNA from root inoculated with Fusarium wilt physiological race 1.
2.4  EST获得和分析
    随机挑取 300个阳性克隆测序ꎬ去除测序失败
的样品、空载体、片段小于 100 bp 的序列ꎬ共获得
259个高质量 ESTsꎮ BLASTn 和 BLASTx 比对发
现 167条 ESTs与已知基因有较高同源性ꎬ占全部
ESTs的 65.5%ꎬ其中与抗病、防卫相关的有 64 条
23种ꎬ占 24.7%ꎻ功能未知的 ESTs有 92条ꎮ
    分析 ESTꎬ可以看到表 2所列抗病相关基因包
含抗病反应的主要过程ꎬ包括信号类、信号传导、离
子通道成分、过敏反应和系统抗性获得等ꎬ但是抗
病相关基因主要集中在系统获得抗性反应中ꎬ如过
氧化物酶、泛素、类伸展蛋白等ꎮ 除了对抗病相关
的功能进行分析外ꎬ我们对这些抗病相关基因的出
现频率进行了统计(表 2)ꎬ结果表明ꎬ不同功能的
基因出现的频率差别较大ꎬ出现频率最高的是半胱
氨酸蛋白酶( systeine proteinase)基因达 15 次ꎬ其
次是延伸因子 1α( elongation factor 1 ̄alpha)为 6
次ꎬ再次为 DEAD 盒 RNA 解旋酶 (DEAD box
RNA helicase )、S ̄腺苷甲硫氨酸脱羧酶(S ̄adeno ̄
sylmethionine decarboxylase)、Kunitz型蛋白酶抑制
剂(Kunitz ̄like protease inhibitor)均出现 4次ꎬ多聚
泛素( polyubiquitin)和 WRKY 蛋白(WRKY pro ̄
tein)出现 3次ꎮ
2.4.1  参与西瓜和枯萎病菌非亲和互作的转录因
子  植物识别病原菌后ꎬ通过一系列信号传递过
程ꎬ诱导相关防卫反应基因的表达ꎬ转录因子在此
过程中起着重要的作用[2]ꎮ 本研究表明ꎬ枯萎病菌
诱导大量编码转录因子基因的表达ꎬ如 WRKY 和
52
 
植物病理学报 45卷
MYB家族ꎬ是被公认与植物抗病相关的转录因子ꎮ
    序列 CH235 与 Myb 基因同源ꎮ Myb 基因在
植株中的过表达能够显著提高植物的抗病能力ꎬ并
具有一定的广谱效应ꎬ西瓜[2]、拟南芥[9]、金鱼
草[10]、烟草[11]、玉米[12]种的类 MYB 转录因子调
控相关下游抗病功能基因的过量表达ꎬ减轻病原菌
对植物造成的伤害ꎮ
    序列 CH087 与 WRKY 基因同源ꎮ WRKY 基
因家族参与调控植物的防卫反应和信号转导途径ꎬ
其家族成员广泛参与植物的抗病防卫反应包括正
调控抗病反应和负调控抗病反应[13]ꎮ 多项研究表
明ꎬ当植物受到不同病原ꎬ如病毒、细菌、真菌和卵
菌侵染以及防御信号物质诱导时ꎬWRKY 基因的
转录、蛋白合成及结合活性都有显著变化[14]ꎬ从而
调节不同的抗性反应ꎮ
2.4.2  参与西瓜与枯萎病菌非亲和互作的激酶  SSH ̄
cDNA 文库序列注释得到大量激酶的 EST(表 2)ꎬ
例如ꎬ序列 CH085、CH236和 CH158代表的基因分
别与甘油激酶、酸性磷酸酶、钙调素酶基因同源ꎮ
蛋白激酶在蛋白质磷酸化过程中起中介和放大作
用ꎬ并帮助完成信号传递过程ꎮ 甘油激酶催化甘油
变成 3 ̄磷酸甘油ꎬ甘油促进子和甘油激酶之间存
在着一种相互作用刺激激酶的活性[15]ꎮ 酸性磷酸
酶是植物体和土壤中普遍存在的一种非常重要的
水解酶ꎬ在调控植物磷营养方面有着非常重要的作
用[16]ꎮ CaM是一类重要的 Ca2+传感器蛋白ꎬ可以
通过与其下游的 CaM 结合蛋白(CaMBP)作用而
调节细胞的生理功能[17]ꎮ
2.4.3  防卫相关基因   类伸展蛋白( extensin ̄like
protein)是植物细胞壁中主要的蛋白质成分ꎬ在防
卫反应中首先作为病原物质侵入和扩展的屏障ꎬ其
次参与植物防卫反应的细胞壁木质化过程[18]ꎬ其
在病虫诱导的植物 SSH文库中均有表达[19ꎬ20ꎬ21] ꎮ
    过氧化物酶(peroxidaseꎬPOD)分布在植物组
织的不同细胞中ꎬ在细胞壁中比较丰富[22]ꎬ它无直
接的抗菌活性ꎬ但它可以通过影响植物体内多种代
谢途径而在抗病中起间接作用[23]ꎮ Systeine
proteinase(半胱氨酸蛋白酶) [24]、DEAD box RNA
helicase(解旋酶) [25]、polyubiquitin(多聚泛素) [26]、
proline ̄rich protein(富脯氨酸蛋白) [27]、zinc finger
protein(锌指蛋白) [28]均参与逆境胁迫响应ꎬ使植
物适应不同的逆境ꎮ
    植物水通道蛋白( aquaporinꎬAQPs)对于提高
植物抗逆性发挥着重要作用ꎮ 例如ꎬ接种根结线虫
后ꎬ烟草根液泡膜水通道蛋白基因 TobRB7 在根系
取食位点被特异诱导表达ꎬ转基因表明其在取食位
点特定表达[29]ꎮ
2.5  水通道蛋白和过氧化物酶基因在不同时期的
RT ̄PCR 表达分析
    水通道蛋白和过氧化物酶基因在接种后 72 h
内均比 0 h 的表达量有不同程度增强ꎬ总体呈上升
趋势ꎬ并在 72 h 时表达量均达到最大值ꎬ约为 0 h
的4.5倍(图5、6) ꎬ表明水通道蛋白和过氧化物酶
Fig. 5  Relative expression level of aquaporin
gene in watermelon root after inocula ̄
tion with Fusarium wilt physiological
race 1 by RT ̄PCR
Fig. 6  Relative expression level of peroxidase
gene in watermelon root after inocula ̄
tion with Fusarium wilt physiological
race 1 by RT ̄PCR
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  1期 李 猷ꎬ等:西瓜与枯萎病菌非亲和互作相关基因的分离及表达分析
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  1期 李 猷ꎬ等:西瓜与枯萎病菌非亲和互作相关基因的分离及表达分析
 
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植物病理学报 45卷
基因均参与了枯萎病胁迫的响应ꎬ在对病原菌的防
卫过程中发挥着重要作用ꎮ
3  讨论
    本研究构建了枯萎病菌 1 号生理小种诱导
Calhoun Gray 的 SSH 文库ꎬ通过对文库中部分
ESTs进行序列测定和分析ꎬ获得抗病信号传导、抗
病防卫、基础代谢、转录因子、次生代谢等基因ꎬ这
与枯萎病生理小种 1诱导野生西瓜 PI296341 表达
的基因种类基本一致[2]ꎬ说明 Calhoun Gray 与
PI296341对枯萎病菌侵染作出的反应均是全方位
多方面的ꎮ 由于部分测序结果所获得的信息不够
全面ꎬ所以我们还未获得核苷酸结合位点 ̄富含亮
氨酸重复序列( leucine rich repeat ̄nucleotide bind ̄
ing siteꎬ LRR ̄NBS)类、丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶
(serine / threonine kinases)类和 LRR ( leucine rich
repeat)类抗病基因ꎬ但从这些有限的信息可以粗略
地了解 Calhoun Gray与野生西瓜 PI296341在与枯
萎病生理小种 1互作中差异表达的基因ꎬ例如水通
道蛋白、Kunitz ̄like protease inhibitor等是本研究特
有的ꎮ 有研究表明ꎬ在逆境条件下ꎬ转录水平以及
蛋白质水平上大多数水通道蛋白基因表达下降ꎬ水
通道活性下降甚至消失ꎬ 因而植物可以通过维持
水分平衡来增加对胁迫因子的耐受能力[41]ꎮ 本研
究表明ꎬ水通道蛋白基因在接种后 72 h内均比 0 h
的表达量有不同程度增强ꎬOpperman[28]也发现根
结线虫胁迫可诱导烟草根液泡膜水通道蛋白基因
TobRB7在根系取食位点表达ꎬ说明水通道蛋白基
因可能在生物胁迫所导致的抗病反应过程中发挥
重要作用ꎮ Kunitz 型胰蛋白酶抑制剂属于典型的
丝氨酸蛋白酶抑制剂ꎬ其生理功能至少包括保护储
存蛋白、调节内源蛋白酶的活性、保护个体免受昆
虫和病原体的侵害[42]ꎮ 据此推测这可能是
Calhoun Gray 不同于 PI296341 抗枯萎病机制的部
分因子ꎮ
    在抗病反应中发现蛋白酶抑制剂的报道较多ꎬ
本研究中这类物质出现较少ꎬ却发现了出现次数多
的蛋白酶ꎬ如半胱氨酸蛋白酶达 15次ꎬ该现象同样
在小麦抗白粉病 SSH 文库有报道[42]ꎬ可能与本研
究仅分析了约 20%序列有关ꎬ也有可能与 Calhoun
Gray 具有不同与 PI296341 的抗病机制有关ꎮ 为
了更全面、 详尽地了解枯萎病生理小种 1 侵染后
Calhoun Gray 基因表达模式ꎬ对 SSH 文库的大规
模测序工作正在进行中ꎮ
    致谢:国家蔬菜工程技术研究中心许勇研究员
惠赠西瓜专化型枯萎病菌 1 号生理小种ꎬ 在此表
示感谢ꎮ
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责任编辑:李晖
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