抑制病原菌诱导的生长素的积累赋予水稻广谱抗性

摘要

水稻是人类的主要粮食作物之一。白叶枯病、稻瘟病以及细菌性条斑病是造成水稻减产的罪魁祸首。研究和发掘具有广谱抗性的水稻抗病相关基因为培育水稻优良抗性品种提供了理论基础。本研究旨在运用植物分子生物学和生物化学领域的前沿技术,揭示了水稻中一个GH3基因家族成员在抗病反应中的作用机理。
　　 我们利用QTL分析确证了GH3-2与几个抗白叶枯的微效抗性QTL以及多个抗稻瘟病的微效抗性QTL相对应。通过农杆菌介导的遗传转化在高感白叶枯的粳稻品种牡丹江8超量表达GH3-2,在中感白叶枯的粳稻品种中花11中利用RNA干扰技术(RNA interference,RNAi)抑制GH3—2的表达。GH3—2超量表达的植株株型变矮,且对白叶枯病菌,稻瘟病菌和细条病菌均表现出增强的抗性。通过Northern检测证明了矮化表型及提高的抗性均与GH3—2的表达量成共分离的关系。然而GH3—2抑制表达的植株在株型及抗性方面均与野生型及转基因阴性植株类似,可能因为该基因与其基因家族中的其他成员存在功能冗余。GH3—2超量表达植株接种白叶枯菌后,病程相关基因PR1a和PR1b,水杨酸合成相关基因PAD4和PAL1,茉莉酸合成相关基因LOX、AOS2和PR10,以及细胞延伸蛋白(expansins)EXPA1、EXPA5和EXPA10的表达与野生型对照相比均受到抑制。通过激素含量测定实验证明了GH3-2超量表达植株的水杨酸和茉莉酸含量均下降。据此我们推断GH3-2介导的水稻对白叶枯的抗性不需要激活水杨酸和茉莉酸途径,而是与细胞的细胞壁松弛有关。
　　 我们在体外表达并纯化了带有His标签GH3-2蛋白。酶活测验证明GH3-2蛋白具有吲哚-3-乙酸(IAA)酰胺合成酶活性。激素含量测定实验也证实了与野生型相比,GH3-2超量表达植株的生长素IAA含量降低,而IAA-Asp的含量升高,从体内验证了GH3-2蛋白的IAA-Asp合成酶活性。
　　 激素含量测定结果表明,GH3-2超量表达植株和野生型对照牡丹江8在接种白叶枯病菌、细条病菌或稻瘟病菌后,野生型的IAA含量均比GH3-2超量表达植株的上升得多。利用定量RT-PCR技术确定了两个IAA合成途径上的酶NIT1和AAO3在分别接种白叶枯病菌,稻瘟病菌和细条病菌后的材料中均被诱导上升表达,且感病材料的上升更强烈,说明接种后植株的IAA含量的上升是由于上调IAA合成途径而引起的。
　　 用外源IAA处理植株,再分别接种细条病菌RH3和稻瘟病菌CHL358,结果表明IAA可以增强水稻对细条病菌RH3和稻瘟病菌CHL358的感病性,说明IAA在病程反应中扮演毒力因子的作用。通过测定白叶枯菌株PXO61、PXO99和PXO347,细条病菌株RH3以及稻瘟病菌株CHL358和RB11分泌到培养基的激素的实验表明,在这些菌株的培养基分泌物中的确存在植物激素IAA,这一结果更加表明病原菌可能利用IAA作为侵染植物过程中的毒力因子,IAA负调控水稻的抗病反应。
　　 综上所述,GH3-2通过失活IAA下调生长素信号途径来赋予水稻广谱的抗性。