凝集素类受体蛋白激酶基因OsLecRK1在水稻抗胁迫反应中作用的解析

摘要

水稻是重要的粮食作物,生物与非生物等逆境胁迫严重影响了水稻的生长发育和产量。为了适应逐渐增加的粮食需求,提高作物对不同逆境的适应能力一直是农业工作者、生物学家长期关注的问题。分离和克隆抗性相关基因并进一步明确这些基因的抗胁迫机制,对于有效控制作物病害、灾害的发生与发展,减少经济损失具有重要的理论和现实意义。
　　 OsLecRK1是本实验室在对细菌性条斑病菌(Xanthomonas oryzae pv.Oryzicola,Xoc)侵染后的水稻进行差异蛋白组学研究时,从中鉴定出的一个差异表达的蛋白基因,该基因编码一个凝集素类受体蛋白激酶。类受体蛋白激酶在植物体中主要与胁迫、发育、信号转导等相关。生物信息学的分析也暗示OsLecRK1基因可能参与水稻的生物与非生物胁迫、生长和发育等生物学过程。
　　 荧光定量PCR数据表明OsLecRK1基因在水稻各个组织和器官中均有表达,在根和茎秆中比在其它组织中的表达水平更高。用各种防御信号化合物、植物激素、NaCl、低温等处理水稻幼苗,发现水杨酸(SA)、茉莉酸甲酯(MeJA)和乙烯合成前体(ACC)这些信号化合物不同程度的诱导OsLecRK1基因的表达;赤霉素(GA)、脱落酸(ABA)、过氧化氢、盐胁迫、干旱胁迫和机械损伤等处理也会导致OsLecRK1的表达水平上调;其中以SA、ABA、NaCl处理后的上调表达最为明显;低温则会抑制OsLecRK1基因的表达。在水稻细菌性条斑病病原菌Xoc侵染诱发的水稻防御反应中,OsLecRK1基因的表达水平在前3天略微上调。因此,推测OsLecRK1可能参与多种不同的水稻抗胁迫反应。
　　 用农杆菌介导的方法遗传转化水稻,得到抑制表达和融合GFP的超量表达的转基因水稻。荧光显微镜观察OsLecRK1-GFP融合蛋白在转基因T1代水稻根尖细胞中的稳定表达,结果与OsLecRK1蛋白位于细胞质膜的预测相吻合,暗示该蛋白可能具有跨膜传递信号的功能。
　　 对转基因T1代进行Xoc接菌处理,病斑测量结果显示抑制OsLecRK1基因表达增强了水稻对Xoc的抗性,OsLecRK1插入突变株也表现了略微增强的抗性,这些结果暗示OsLecRK1基因负调控水稻对Xoc抗性。在抑制表达OsLecRK1的转基因植株中接种Xoc后,荧光定量PCR检测相关的防御基因,其中参与SA合成的基因PAD4及JA合成相关基因AOS2的表达均被抑制;在OsLecRK1突变体植株接种Xoc后,荧光定量PCR检测数据显示病程相关基因PR16和参与SA合成的基因CHS的表达均被抑制,而另一个参与SA合成的基因PAL的表达水平显著上调。推测OsLecRK1可能参与了协助病原菌或病原菌效应物(effector)毒害宿主的过程,从而导致抗病性变化,具体机制有待进一步研究。
　　 荧光定量PCR分析非生物胁迫诱导表达相关基因在转基因植株T1代中的表达,其中受干旱和高盐胁迫诱导的转录因子OsDREB2A在RNAi转基因植株的不同单株中的表达均受到抑制,而脯氨酸合成限速酶基因P5CS的表达量一致显著上升;而在融合GFP的超量表达植株的不同单株中,与野生型相比,可以提高植物抗盐能力的基因Lea3-1的表达量一致显著上升,基因OsDREB2A的表达量也一致略有上升。这些结果表明,OsLecRK1基因表达量的变化可能会影响水稻植株对干旱和盐胁迫的耐受程度。
　　 综上所述,OsLecRK1在水稻生物与非生物胁迫中的信号转导网络中或起着关键作用。