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水稻是重要的粮食作物，其总产量在全世界粮食产量中排名第三。水稻生产长期依赖于大量的化学肥料，然而这带来了巨大的环境问题。丛枝菌根真菌(AMF)与水稻等约80%陆生植物共生互作协助植物吸收土壤中的磷(Pi)等营养元素，因此提高AMF与水稻共生效率是减少化肥施用量的重要途径。本课题基于该科学问题，针对水稻与AMF的共生调控进行研究。首先，我们对不同水稻品种的AMF定殖效率进行比较，发现在接种AMF后第14天(14 dpi)不同水稻品种间AMF定殖效率存在差异，根系菌根定殖频率(F%)的变幅为32.46-100，根系定殖强度(M%)的变幅为2.49-37.77，4个水稻品种(Thang10、Habataki、Sadu-cho和DY)显示出相对较高的菌根定殖效率(F%>90，M%>25)，另外4个品种(Dandongludao，Sel.No.388，Jumlidhan和Sasanishiki)显示相对较低的菌根侵染效率(F%<40，M%<7)；籼稻的AMF定殖效率显著高于粳稻；此外，发现东乡野生稻(DY)(F%=97.78，M%=30.73)定殖效率高于籼型栽培稻中早35(ZZ35)(F%=50.79，M%=7.17)。
为了定位并克隆调控水稻AMF共生(AMS)效率的关键基因，我们选择DY和ZZ35作为研究对象，构建了以ZZ35为背景的DY染色体片段代换系。通过比较318个片段代换系在14dpi的侵染表型，发现其中的一个片段代换系(CSSL-DY)，AMF定殖效率比ZZ35强，利用全基因组芯片背景扫描技术，检测发现CSSL-DY含有3个DNA片段来源于DY，分别位于染色体Chr8、Chr10和Chr11上。另一个片段代换系(CSSL-ZZ35)，含有与CSSL-DY相同的位于Chr10和Chr11的2个片段，而不含有Chr8上的片段。CSSL-DY的AMF定殖效率在14dpi和28dpi都显著高于CSSL-ZZ35。推测位于Chr8约为2.4Mbp的片段影响了AMF在水稻中的定殖效率。
首先，利用Chr8位点杂合的片段代换系F2或F3群体(CSSL-het-F2 ， CSSL-het-F2:3)，通过图位克隆将与AMF共生相关基因定位在分子标记IdZ8-68和IdZ8-80之间。在该78.3Kbp区域内存在10个开放阅读框(ORF)，其中ORF5(OsCERK1)编码一个在免疫和共生中可能具有双重功能的含有LysM结构域的受体激酶。
OsCERK1DY和OsCERK1ZZ35在编码区存在5个SNPs变异，其中4个(C362A，C363A，G1756A和T2265C)引起氨基酸改变；与OsCERK1ZH11相比，OsCERK1DY的编码区存在3处SNPs的改变(C353T，A361T，T2265C)，C353T和A361T导致的两个氨基酸变异均位于第二个LysM结构域。拟南芥AtCERK1中该结构域的一个相对应氨基酸(T112)，参与蛋白质与几丁质的结合。
OsCERK1DY过表达转基因植株(DY-OE)的定殖效率在14dpi、28dpi和49dpi都显著高于OsCERK1ZH11(ZH11-OE)，OsCERK1ZZ35(ZZ35-OE)过表达植株；DY-OE转基因植株的RiGAPDH(AMF真菌生物量的标记基因)，AM1和AM3(早期AMS标记基因)，AM14和PT11(晚期AMS标记基因)的表达水平显著高于ZH11-OE、ZZ35-OE、空载(EV)转基因植株以及野生型ZH11。表明OsCERK1DY比OsCERK1ZH11和OsCERK1ZZ35更能促进水稻与AMF的侵染。构建相关氨基酸的突变，发现OsCERK1DY第二个LysM结构域的Thr-118和Thr-121调节了水稻与AMF的早期共生识别，而胞内结构域的Met-284的变异不影响AMF在水稻中的早期侵染。
OsCERK1的单片段代换系(CSSSL)的AMS效率比ZZ35更强，同时增加了植株对Pi的吸收，提高了产量。单倍型分析表明，OsCERK1DY的单倍体型在4660份重测序的栽培稻中都不存在，而基于功能变异SNPs的单倍体分析表明其存在明显的籼稻、粳稻和Aus分型。在地域分布上看，IYTS型不论南北均分布在粳稻中，TYTT型及TYTK型不论南北主要分布在籼稻中，IYTI型则全部分布在南方Aus稻中。北方水稻(主要是中国东北和日本)以IYTS为主。南方则表现混杂的现象，但是长江中下游稻区水稻则大都以TYTK为主，而南方出现的IYTS的水稻品种也集中在秦岭淮河一线附近(靠北)。OsCERK1的变异可能是由于地域土壤肥力的差异性而得到选择。
与OsCERK1ZH11或OsCERK1ZZ35相比，OsCERK1DY介导了更强的免疫反应。在拟南芥cerk1突变体中过表达OsCERK1DY和OsCERK1ZH11，发现相对于OsCERK1ZH11基因，OsCERK1DY基因可以部分互补拟南芥cerk1-2突变体对几丁质诱发的免疫反应；稻瘟病打孔接种实验也证实了OsCERK1DY与OsCERK1ZH11或OsCERK1ZZ35相比，增强了水稻对稻瘟病的抗性。
本研究表明OsCERK1DY是影响水稻与AMF共生相互作用的关键基因，能够提高水稻与AMF共生的定殖效率并导致水稻产量的提高，同时可以增强水稻对稻瘟病的抗性。因此，OsCERK1DY对于提高水稻Pi吸收及其利用效率具有较好的生物技术潜力，在绿色超级水稻的培育中可能具有较好的应用价值。
为了定位并克隆调控水稻AMF共生(AMS)效率的关键基因，我们选择DY和ZZ35作为研究对象，构建了以ZZ35为背景的DY染色体片段代换系。通过比较318个片段代换系在14dpi的侵染表型，发现其中的一个片段代换系(CSSL-DY)，AMF定殖效率比ZZ35强，利用全基因组芯片背景扫描技术，检测发现CSSL-DY含有3个DNA片段来源于DY，分别位于染色体Chr8、Chr10和Chr11上。另一个片段代换系(CSSL-ZZ35)，含有与CSSL-DY相同的位于Chr10和Chr11的2个片段，而不含有Chr8上的片段。CSSL-DY的AMF定殖效率在14dpi和28dpi都显著高于CSSL-ZZ35。推测位于Chr8约为2.4Mbp的片段影响了AMF在水稻中的定殖效率。
首先，利用Chr8位点杂合的片段代换系F2或F3群体(CSSL-het-F2 ， CSSL-het-F2:3)，通过图位克隆将与AMF共生相关基因定位在分子标记IdZ8-68和IdZ8-80之间。在该78.3Kbp区域内存在10个开放阅读框(ORF)，其中ORF5(OsCERK1)编码一个在免疫和共生中可能具有双重功能的含有LysM结构域的受体激酶。
OsCERK1DY和OsCERK1ZZ35在编码区存在5个SNPs变异，其中4个(C362A，C363A，G1756A和T2265C)引起氨基酸改变；与OsCERK1ZH11相比，OsCERK1DY的编码区存在3处SNPs的改变(C353T，A361T，T2265C)，C353T和A361T导致的两个氨基酸变异均位于第二个LysM结构域。拟南芥AtCERK1中该结构域的一个相对应氨基酸(T112)，参与蛋白质与几丁质的结合。
OsCERK1DY过表达转基因植株(DY-OE)的定殖效率在14dpi、28dpi和49dpi都显著高于OsCERK1ZH11(ZH11-OE)，OsCERK1ZZ35(ZZ35-OE)过表达植株；DY-OE转基因植株的RiGAPDH(AMF真菌生物量的标记基因)，AM1和AM3(早期AMS标记基因)，AM14和PT11(晚期AMS标记基因)的表达水平显著高于ZH11-OE、ZZ35-OE、空载(EV)转基因植株以及野生型ZH11。表明OsCERK1DY比OsCERK1ZH11和OsCERK1ZZ35更能促进水稻与AMF的侵染。构建相关氨基酸的突变，发现OsCERK1DY第二个LysM结构域的Thr-118和Thr-121调节了水稻与AMF的早期共生识别，而胞内结构域的Met-284的变异不影响AMF在水稻中的早期侵染。
OsCERK1的单片段代换系(CSSSL)的AMS效率比ZZ35更强，同时增加了植株对Pi的吸收，提高了产量。单倍型分析表明，OsCERK1DY的单倍体型在4660份重测序的栽培稻中都不存在，而基于功能变异SNPs的单倍体分析表明其存在明显的籼稻、粳稻和Aus分型。在地域分布上看，IYTS型不论南北均分布在粳稻中，TYTT型及TYTK型不论南北主要分布在籼稻中，IYTI型则全部分布在南方Aus稻中。北方水稻(主要是中国东北和日本)以IYTS为主。南方则表现混杂的现象，但是长江中下游稻区水稻则大都以TYTK为主，而南方出现的IYTS的水稻品种也集中在秦岭淮河一线附近(靠北)。OsCERK1的变异可能是由于地域土壤肥力的差异性而得到选择。
与OsCERK1ZH11或OsCERK1ZZ35相比，OsCERK1DY介导了更强的免疫反应。在拟南芥cerk1突变体中过表达OsCERK1DY和OsCERK1ZH11，发现相对于OsCERK1ZH11基因，OsCERK1DY基因可以部分互补拟南芥cerk1-2突变体对几丁质诱发的免疫反应；稻瘟病打孔接种实验也证实了OsCERK1DY与OsCERK1ZH11或OsCERK1ZZ35相比，增强了水稻对稻瘟病的抗性。
本研究表明OsCERK1DY是影响水稻与AMF共生相互作用的关键基因，能够提高水稻与AMF共生的定殖效率并导致水稻产量的提高，同时可以增强水稻对稻瘟病的抗性。因此，OsCERK1DY对于提高水稻Pi吸收及其利用效率具有较好的生物技术潜力，在绿色超级水稻的培育中可能具有较好的应用价值。