水稻品种LTH对稻瘟病易感机制解析及Piak基因功能分析

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水稻(Oryza sativa)是主要的粮食作物之一,养活了世界上30亿以上的人口,然而由丝状子囊真菌引起的稻瘟病对水稻生产构成严重威胁。稻瘟病菌生活史短、可产生大量气生孢子、传播范围广、毒性变化快等特点加大了稻瘟病的防治难度。培育含有抗性(R)基因的水稻品种是稻瘟病防治最经济、友好的方法,同时鉴定和克隆R基因将为作物改良奠定基础。水稻品种丽江新团黑谷(LTH)对全世界2000多个稻瘟病菌分离株敏感,被广泛应用于R基因的克隆,但由于缺乏高质量基因组,其潜在的易感机制尚未被完全揭示。实验室前期对LTH进行了全基因组测序和高质量组装,本研究主要采用基因组学和实验分析的方法对LTH的易感机制进行研究。首先通过基因组学的方法进行分析:发现与其他几个水稻品种相比,LTH中含有NB-ARC结构域的R基因和编码受体样蛋白激酶(LRR-RLK)的基因数量显著减少,与水稻抗稻瘟病相关的Pi基因部分缺失,部分因基因组变异而丧失功能,但与植物生长发育相关的基因处于正常水平。此外,通过实验验证LTH与其他水稻品种相比缺少多个R基因。其次,模式触发免疫(PTI)和效应器触发免疫(ETI)是植物免疫中不同但相互依赖的分支。通过实验,发现在chitin和flagellin22的诱导下,LTH可以触发正常PTI反应,然而缺少Pi基因、NB-ARC类基因、LRR-RLK类基因以及无功能或功能较弱的R基因都可能减弱LTH的ETI反应,说明LTH对稻瘟病菌普遍易感可能是由R基因介导ETI引起的。之后通过对抗病水稻品种Kitaake和易感水稻品种LTH转录组数据分析发现:在受到外界刺激后,Kitaake中抗病相关基因的表达量显著高于LTH。最后,为了克隆针对来自Kitaake中抗稻瘟病菌P131的Pi基因,通过将Kitaake与LTH杂交构建分离群体。侵染试验表明,从1,239株F2植株中获得961株抗性植株和278株感病植株,表明抗性由一个显性基因控制。通过1,239株F2群体的共分离分析,发现Kitaake中R基因Piak对稻瘟菌株P131抗性起作用,而不是Pish、Pi37、Pi-cd。通过广泛的基因组分析和实验分析,我们的研究为LTH对稻瘟病菌普遍易感机制提供了基因组方面的见解。发现LTH普遍易感性的主要原因不是PTI,而是由于Pi基因介导的ETI减弱。同时LTH的高质量参考基因组将大大加快Pi基因克隆和水稻功能基因组学研究的其他方面。
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