水稻DLT在抗病反应中的功能研究以及稻黄单胞菌TALE靶定感病基因的机制研究

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水稻是世界三大主要粮食作物之一,一半以上人口以大米为主食。病害是水稻安全生产的重要限制因素之一,真菌病害(稻瘟病、稻曲病、纹枯病等)、细菌病害(白叶枯病、细菌性条斑病等)、病毒病等对水稻的安全生产造成严重威胁。尤其近些年来,日趋严重的稻曲病,不仅造成水稻减产,更产生对人畜有害的毒素,严重威胁粮食安全。因此挖掘优异抗病基因资源对水稻抗病育种具有重要的理论意义和实践价值。有研究表明,水稻GRAS基因家族成员在株型等方面发挥重要功能,其中,一个特殊成员DLT基因被报道在调控植株的叶夹角等方面发挥重要的功能,但是该基因在植物抗病方面知之甚少。缺失DLT基因的水稻更易感稻曲病菌,细胞学手段验证稻曲病菌在侵染过程中,更倾向于且更快侵入dlt-1突变体颖核内,萌发更多分生孢子,致使水稻更感病。细胞程序性死亡相关基因、参与次生壁合成的相关基因和病程相关基因在侵染过程中被诱导表达;过量表达DLT基因增强水稻对稻曲病菌的抗性。以上结果说明,DLT可能通过影响下游参与次生细胞壁合成的相关基因的表达和免疫过程相关病程基因的表达来正向调控水稻对稻曲病的抗性。DLT基因还负向调控对白叶枯病菌、细菌性条斑病菌和稻瘟病菌的抗性。通过互作蛋白筛选,我们发现水稻组蛋白变体H2A.Z的一个成员HTA713与其相互作用。通过BIFC实验验证两个蛋白互作发生在细胞核中,利用RNAi抑制和CRISPR技术敲除HTA713基因的表达,均增强水稻对白叶枯病菌和稻瘟病菌的抗性,过量表达该基因显著增强水稻对白叶枯病菌和稻瘟病菌的感病性。dlt突变体与HTA713过量表达的杂交植株以及DLT过量表达与hta713突变体的杂交植株对白叶枯病菌的抗性介于父母本之间。这些结果说明,DLT与HTA713协同互作负向调控水稻对白叶枯病菌和稻瘟病菌的抗性。同时DLT与HTA713协同互作正向调控水稻对稻曲病菌的抗性。通过对H2A.Z的CHIP-seq数据和稻曲病菌侵染水稻早期和后期的RNA-seq数据进行分析,发现被H2A.Z大量富集的WRKY转录因子家族、糖基水解酶和糖基转移酶等相关基因在水稻对稻曲病菌响应过程中发挥重要作用。许多黄单胞菌通过将其转录激活效应子蛋白(transcription activator-like effector,TALE)分泌进入寄主植物体内,诱导感病基因的表达,致使植株感病。本室已经报道Os TFIIAγ5基因是稻黄单胞菌分泌TALE劫持寄主植物的基本核心转录因子,通过在转录水平上调控植物相关基因表达水平的变化,以激活感病基因的大量表达。本研究进一步发现,在3024个水稻品种中,Os TFIIAγ5基因编码区第39位氨基酸绝大多数由缬氨酸(V)突变为谷氨酸(E)(Os TFIIAγ5V39E)。分别在抗病材料IRBB5中互补和过量表达Os TFIIAγ5V39A,Os TFIIAγ5V39L,Os TFIIAγ5V39D,Os TFIIAγ5V39Q,均增强水稻对白叶枯病菌和细菌性条斑病的感病性。柑橘中的TFIIAγ同样能与白叶枯病菌的TALE发生相互作用,水稻IRBB5中过量表达Cs TFIIAγ5基因,显著增强水稻对两种黄单胞病菌的感病性。过量表达Cs TFIIAγ5V39E,不影响水稻对白叶枯病菌的响应。这些结果表明,Os TFIIAγ5V39E是水稻逃避白叶枯病菌TALE劫持的关键突变位点,该抗病机制对于水稻抗细菌性病害育种有一定的指导意义,同时黄单胞菌TALE靶定植物感病基因在其他作物中也可能具有相似机制,对于其他作物的抗细菌性病害研究和应用具有一定的参考价值。
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