利用CRISPR/Cas9技术创制抗稻瘟病香型早籼温敏核不育系

【目的】创制新型抗稻瘟病香型早籼温敏核不育系，为高产优质杂交水稻选育提供资源。【方法】利用CRISPP/Cas9技术在水稻稻瘟病基因Pi21、温敏不育基因TMS5和香味基因Badh2的第1外显子处设计靶位点，构建多基因表达载体pC1300-2×35S::g^TMS5-g^Badh2-g^Pi21，转化优质常规籼稻品种中早70，测序鉴定分析获得纯合阳性稳定株系。利用稻瘟病喷雾接种和打孔接种方法对稻瘟病基因Pi21的纯合突变株系进行稻瘟病抗性鉴定，利用GC-MS技术对Badh2纯合突变株系的香味物质2-乙酰-1-吡咯啉（2-AP）含量进行测定。【结果】在T₀转基因株系中，Pi21、TMS5和Badh2突变频率分别为87.5%、80.0%和87.5%，突变类型多为双等位突变。从T₁代中筛选不含载体骨架的纯合突变株系，获得两种三突变纯合株系。稻瘟病接种结果表明，与野生型相比，T₂代Pi21纯合变异株系的抗性显著提高。同时，接种后纯合突变体株系内相关防卫基因的表达量显著上调，ROS积累量也显著增加。tms5纯合变异株系表现出典型的温敏不育特性，TMS5基因的表达水平与野生型相比显著降低，高温下Ub_L404基因的表达水平明显高于野生型。与野生型相比，在Badh2纯合突变体植株中Badh2的表达水平显著下调，并且香味物质2-AP含量极显著增加。【结论】利用CRISPR/Cas9技术成功对Pi21、TMS5和Badh2基因同时进行定向编辑，获得了具有高抗稻瘟病的香型温敏不育系，为高抗、香型不育系材料的选育提供参考，加快高产优质杂交水稻的选育。     

生长素调控因子OsGRF4协同调控水稻粒形和稻瘟病抗性

【目的】水稻粒形为多基因控制的复杂数量性状,同时影响稻谷产量和稻米外观及碾磨品质,挖掘粒形相关基因并解析其遗传机制,对于水稻高产和优质品种选育具有重要意义。【方法】以前期利用大粒籼稻品种特大籼(TDX)为供体亲本、小粒粳稻品种日本晴(Nipponbare,NPB)为轮回亲本获得的一个大粒近等基因系,在水稻第2染色体上初定位粒形调控基因GS2.2(grain size 2.2)的基础上,对GS2.2基因进行了精细定位和候选功能基因的克隆鉴定。【结果】利用BC₄F₂群体中2887份极小粒单株及该群体中70份基因型杂合的大粒单株自交获得的BC₄F₃群体,将GS2.2基因精细定位在2M-7-1与2M-9之间的160.6 kb的区间内。该区间编码18个基因开放阅读框(ORF1-18)。测序发现ORF18基因在大粒近等基因系与小粒日本晴等位基因间存在5个SNP差异,ORF18编码生长素调控因子蛋白OsGRF4。采用CRISPR/Cas9基因编辑技术对大粒近等基因系中ORF18进行敲除,发现ORF18敲除株系粒长变短,证实ORF18是GS2.2的功能基因。进一步对ORF18大粒近等基因系和基因编辑敲除株系进行稻瘟菌室内离体和病圃接种鉴定,发现ORF18大粒近等基因系稻瘟病抗性增强,而基因编辑敲除株系稻瘟病抗性减弱,表明ORF18正调控水稻稻瘟病抗性。【结论】本研究发现的生长素调控因子OsGRF4协同调控水稻粒形和稻瘟病抗性,为协调水稻高产和抗性育种提供了重要的基因资源。     

转录因子OPBP1和OsiWRKY基因的超表达提高水稻的耐盐及抗病能力

采用基因枪法将耐盐的OPBP1和抗病相关的OsiWRKY转录因子共转化入水稻材料秀水11,经PCR及分子杂交分析确认目的基因已整合到水稻基因组中并超量表达。抗病性测定表明,与未转基因水稻相比,转基因水稻植株表现出对稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）和白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae pv.oryzae）的较好抗性。抗盐能力检测结果表明,在同等盐胁迫条件下转基因株系生长较快,叶绿素含量和生物学产量都显著高于未转基因对照。上述结果表明,OPBP1和OsiWRKY基因在水稻中增强表达可以提高水稻的耐盐及抗病能力。     

水稻富含半胱氨酸类受体激酶家族基因对纹枯病菌和植物激素的响应特征分析

【目的】明确水稻富含半胱氨酸类受体激酶（Cysteine-rich receptor-like kinases,CRK）家族基因对纹枯病菌侵染和植物激素的响应特征,是解析CRK在水稻纹枯病抗性中的功能的重要前期工作。【方法】利用生物信息学方法构建了水稻45个CRK的系统发育树,并利用qPCR分析了它们对纹枯病菌和对植物激素乙烯（Ethylene,ET）、茉莉酸（Jasmonic acid,JA）、水杨酸（Salicylic acid,SA）和细胞分裂素（Cytokinin,CK）等的响应特征,以及在水稻不同组织中的表达模式。【结果】水稻CRK家族可分为4个组,在染色体上成簇或紧密分布的CRK大部分来自同一组或同一分支。41个CRK响应纹枯病菌侵染,其中17个响应强烈;结合组织表达模式,发现这17个CRK基因中,CRK15、CRK23、CRK24、CRK26、CRK27、CRK28、CRK29、CRK30、CRK31和CRK33等10个基因在叶鞘和叶片中表达较强,暗示这些基因可能参与了对纹枯病的抗性;大部分同一分支的两个同源性较高的CRK对纹枯病菌的响应特征类似, 表明这些CRK基因在调控纹枯病抗性上可能存在功能冗余。40个CRK对3种或4种植物激素均有响应,它们对不同激素的响应存在差异性,说明CRK可能广泛参与这些激素介导的防御信号途径;对JA和SA响应相反的有17个,对JA和SA、ET和JA、ET和SA响应类似的分别有21、21、23个。这不仅反映了ET、JA、SA信号途径间的协同和拮抗作用,也说明这些基因可能参与ET、JA和SA间的交互作用。【结论】鉴定到一些可能参与调控水稻纹枯病抗性的CRK基因,且它们可能在植物激素介导的防御途径中起作用。这为我们进一步探索CRK在调控水稻纹枯病抗性上的功能提供了科学线索。     

白背飞虱取食后水稻幼苗内源激素变化研究

【目的】研究白背飞虱取食后苗期水稻内源激素含量变化规律及其合成途经相关基因的差异表达,为进一步解析内源激素调控水稻白背飞虱抗性机理提供参考。【方法】利用UPLC-MS方法测定了白背飞虱敏感材料9311与抗性近等基因系（NIL）在白背飞虱取食0、24和48 h后植株水杨酸（SA）、脱落酸（ABA）、茉莉酸（JA）和生长素（IAA）4种激素含量的变化;qRT-PCR分析5个与激素合成途径相关基因在抗、感植株中表达水平的差异。【结果】激素含量测定结果表明,白背飞虱取食的48 h内,NIL中SA含量先升后降,而在9311中先降后升;ABA的含量在NIL中波动较小,而在9311中先升后降;IAA和JA在抗、感植株中均持续上升。激素合成途径相关基因OsPAL06、OsZEP、OsLOX和OsYUCCA1在接虫后24 h的表达量差异在抗、感植株中均达到显著或极显著水平,而在0 h和48 h差异不显著。OsICS1则在接虫后48 h的表达量差异在抗、感植株达到显著水平,而接虫0和24 h后差异不显著。【结论】在接虫或者对照处理中,JA和ABA含量在抗性植株中均高于感虫植株,可能与抗性基因有较大关系;而SA含量和OsPAL06、OsICS1基因表达水平均表明抗性植株对白背飞虱的取食响应更迅速,在抗虫过程中能够起到明显的调控作用。     

转hrf1基因水稻对稻瘟病多小种非专化的稳定抗性

以表达水稻白叶枯病菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）编码harpin广谱抗性激发子的hrf1基因的转基因系为材料,在温室和田间病圃鉴定它们对稻瘟病菌的抗性,分析转基因水稻抗稻瘟病的作用机制。研究结果显示,转hrf1基因水稻对稻瘟病菌ZC3、ZD1和ZG1小种表现高抗,对ZB13表现中抗,表明hrf1基因在水稻中表达可以产生非小种专化抗性。在稻瘟病圃中对水稻稻瘟病抗性鉴定结果显示,转hrf1基因水稻在T1、T3、T5和T7代对稻瘟病菌都表现很好的抗性,表明转hrf1基因水稻对稻瘟病菌的抗性能稳定遗传。 转hrf1基因抗病水稻中防卫反应基因OsPR1a、OsPR1b、PAL和Chia4a以及正向调控水杨酸介导信号传导的NPR1基因的表达显著增强。转基因抗病水稻中硅含量显著提高。Harpin编码基因在水稻中表达,可能通过激发水稻中防卫反应基因的表达,提高水稻中硅含量等,从而使水稻产生对稻瘟病菌的广谱抗性。     

水稻OsWRKY7基因的表达研究

WRKY蛋白是植物中一类重要的转录因子,不仅参与植物生长发育的调控,还参与植物对各种生物和非生物胁迫的响应。本研究从水稻日本晴中分离OsWRKY7基因的编码序列(CDS),并克隆其启动子序列进行表达研究。首先通过实时定量PCR的方法检测不同组织中OsWRKY7基因的相对表达量,结果表明,OsWRKY7在叶片中的表达水平较高,且开花期的剑叶中表达量高于7 d苗龄的幼叶。进一步将OsWRKY7启动子与GUS报告基因融合,构建了植物表达载体pOsWRKY7-GUS,并将此载体转化日本晴。转基因植株不同组织染色分析结果显示,该启动子在植株的主根尖、叶片、颖壳中有GUS活性,其中叶片上可见全叶范围分布的大量蓝色斑点,这些染色结果与实时定量PCR的结果一致。进一步的接菌和激素处理还显示,OsWRKY7启动子在根和叶中的表达均受水稻白叶枯病菌[Xanthomonas oryzae pv. Oryzae(Xoo)]P10生理小种侵染的诱导,同时还受外源施加的细胞分裂素和生长素诱导,而水杨酸则会抑制其在根和叶中的表达。此外,我们还将OsWRKY7基因的CDS序列分别与绿色荧光蛋白和酵母GAL4的DNA结合域融合,对该基因进行水稻茎原生质体亚细胞定位分析和酵母自激活检验,结果显示该基因定位于细胞核中并具有转录自激活活性。上述结果表明OsWRKY7具有明显的转录激活因子特征,其很可能参与了水稻对白叶枯菌的防御反应以及对多种激素信号的转导过程。     

一个水稻铜锌SOD酶基因在应答亚砷酸盐胁迫中的作用

【目的】水稻Os08g44770.1基因编码一个铜锌SOD酶,但其在响应亚砷酸盐[As(Ⅲ)]胁迫中的生物学功能未知。本研究旨在深入揭示由该基因调控水稻砷耐性改变的分子机理并为水稻抗逆育种提供理论参考。【方法】以野生型日本晴(WT)和2个Os08g44770.1过表达转基因株系为试材,通过胁迫处理、生理指标测定和基因表达分析等,系统探究了转基因植株对As(Ⅲ)的耐受性表现,并初步揭示了其调控水稻砷耐性的生理和分子机理。【结果】与WT相比,过表达转基因株系对As(Ⅲ)更加敏感;转基因植株在砷胁迫下的根系相对伸长量、生物量(干质量)、叶绿素含量、根系细胞质膜完整性、叶片抗氧化程度等均显著低于WT;Os08g44770.1在砷处理后的WT和转基因植株叶片中的表达模式略有不同,但均表现为处理24 h时被显著诱导表达。【结论】过度表达Os08g44770.1基因可导致水稻的砷耐受性极显著下降。     

硫藤黄链霉菌St-79对水稻白叶枯病的防效和促生作用

【目的】水稻白叶枯病是水稻的主要细菌性病害之一，严重影响水稻生产。本研究获得一株有效防治水稻白叶枯病的放线菌菌株，探索其对白叶枯病的防效和促进水稻生长的作用，为生防菌的开发利用提供科学依据。【方法】利用梯度稀释涂布法、共培养法和牛津杯法筛选拮抗水稻白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzae, Xoo)的放线菌菌株；通过形态特征、生理生化反应、16S rDNA序列和系统发育树分析对其进行分类鉴定；利用共培养法分析目标菌株的抗菌谱；通过96孔板微量稀释法、扫描电子显微镜、微生物粘附碳氢化合物法等探究目标菌株的抑菌作用；通过发酵滤液浸种与菌液喷洒土壤的方法探究其对水稻生长的促进作用；利用盆栽试验探索目标菌株发酵滤液对水稻白叶枯病的防治效果。【结果】从不同生境土壤中分离出140株放线菌菌株，最终筛选得到一株对Xoo具有强拮抗活性的放线菌菌株St-79，其发酵滤液抑菌圈直径为64 mm，并鉴定其为硫藤黄链霉菌(Streptomyces thioluteus)。菌株St-79对水稻细菌性条斑病菌(Xanthomonas oryzae pv. oryzicola)、大豆细菌性斑疹病菌(Xanthomonas axonopodis pv. glycines)、油菜黑腐病菌(Xanthomonas campestris pv. campestris)和番茄细菌性叶斑病菌(Pseudomonas syringae pv. tomato)均有拮抗作用。其乙酸乙酯粗提物具有良好的抑制Xoo生长的效果，粗提物对Xoo的最低抑菌浓度为8 μg/mL，最低杀灭浓度为32 μg/mL；扫描电镜观察结果显示，粗提物对Xoo细胞有很强的损伤作用；粗提物还能改变Xoo细胞内膜通透性，降低Xoo细胞的疏水性。促生试验结果显示，菌株St-79发酵滤液能够促进水稻幼苗的生长。盆栽试验结果显示，菌株St-79发酵滤液对水稻白叶枯病有良好的防治效果，在日本晴、甬优15、甬优1540上的相对防效为65.95%~87.23%，病斑抑制率为69.85%~95.8%，且预防效果优于治疗效果。【结论】获得一株有效防治水稻白叶枯病的放线菌，其对水稻白叶枯病菌有明显的抑制作用，并且可以促进水稻种子的萌发与幼苗的生长。     

Cecropin B转基因水稻及其后代抗白叶枯病研究初报

 就单株自交繁殖得到的京引119的Cecropin B转基因水稻T0代到T5代共6个世代的不同单株株系对白叶枯病的抗性进行了初步研究。结果表明,Cecropin B转基因水稻对白叶枯病的抗病性在后代中出现分离,但能传递到高世代,在T4代中得到两个抗病性提高的株系。从白叶枯病菌侵染抗病性不同的株系的动态变化结果表明,Cecropin B转基因水稻能抵抗白叶枯病的轻度感染,但要彻底改进转基因水稻抗病性,必须有高水平的杀灭病菌的物质表达。     

枯草芽孢杆菌JN005胞外抗菌物质及对水稻叶瘟防治效果

【目的】检测枯草芽孢杆菌JN005产生的胞外抗菌物质的稳定性和对稻瘟病菌的生物活性,及其对水稻叶瘟的防治效果。【方法】通过不同培养基检测枯草芽孢杆菌JN005产生的抑菌物质,结合平板对峙法、光学显微镜观察、室内离体和活体接种来检测JN005菌株胞外抗菌物质对稻瘟病菌拮抗活性和对水稻叶瘟防治效果。【结果】枯草芽孢杆菌JN005能分泌蛋白酶、纤维素酶、淀粉酶和β-1, 3-葡聚糖酶,其胞外抗菌物质对稻瘟病菌生长具有抑制作用。胞外抗稻瘟病菌物质在0℃~100℃和pH 2~12范围内活性较为稳定,且经蛋白酶K处理后不影响其活性,紫外照射12 h以及4℃保存3个月仍有活性。胞外抗菌物质能引起稻瘟病菌菌丝形态畸变,并抑制分生孢子的萌发。室内湘晚籼12号稻瘟病离体叶片接种表明,先用100倍胞外抗菌物质稀释液处理水稻叶片,24 h后接种稻瘟病菌分生孢子悬浮液(1×10⁵个/mL),其叶瘟发病率为34.07%,效果接近稀释500倍的40%稻瘟灵EC;而先接种稻瘟病菌分生孢子悬浮液,24 h后用100倍胞外抗菌物质稀释液处理,其发病率为38.52%,与稀释1500倍的75%三环唑(WP)和稀释500倍的40%稻瘟灵(EC)有显著性差异。活体喷雾接种试验表明,于湘晚籼12号秧苗长至3叶1心时,接种稻瘟病菌分生孢子悬浮液前24 h喷施稀释100倍的胞外抗菌物质稀释液,其叶瘟防效为75.32%;接种稻瘟病菌分生孢子悬浮液后24 h喷施稀释100倍的胞外抗菌物质稀释液,其防效为71.49%。【结论】JN005菌株胞外抗菌物质对稻瘟病菌的菌丝生长和孢子萌发有直接抑制作用,且对环境稳定性较好,对稻瘟病有较好的预防和治疗作用,有进一步的开发潜力。     

持有Pi9基因的水稻单基因系IRBL9-W对稻瘟病菌苗期和成株期抗性差异

【目的】Pi9是一个广谱稻瘟病抗性基因,田间病圃监测发现持有Pi9的水稻单基因系IRBL9-W在苗期高抗稻瘟病,但却感穗瘟。探明水稻单基因系IRBL9-W在苗期抗病而孕穗末期感染穗颈瘟的原因,为Pi9基因在水稻抗病育种中的有效利用提供参考。【方法】利用从IRBL9-W穗颈瘟病斑上分离的8个单孢菌株以及实验室保存的单孢菌株Y363,在温室分别对单基因系IRBL9-W苗期和孕穗末期进行接种鉴定;并利用病原菌AvrPi9基因的特异引物对9个单孢菌株进行PCR扩增及产物测序;提取水稻单基因系IRBL9-W苗期叶片和抽穗期穗部的总RNA,通过半定量RT-PCR以及实时qRT-PCR分析Pi9基因在苗期和穗期的表达。【结果】在温室人工喷雾接种条件下,IRBL9-W在苗期对从穗颈瘟上分离的8个单孢及对照菌株Y363均表现为抗病;随机选取的2个从IRBL9-W穗颈瘟病样分离的单孢菌株(YX2-7-1和YX2-15-1)及对照菌株Y363对孕穗末期IRBL9-W注射接种,接种的植株表现出典型的穗颈瘟症状;AvrPi9的等位基因分析结果表明,与AvrPi9相比,Y363中的等位基因与AvrPi9完全相同,而从IRBL9-W穗瘟分离的8个单孢菌株中编码区与AvrPi9基因完全相同,但在编码起始位置上游-264 bp处缺失16 bp的一段序列。由于IRBL9-W苗期对这些菌株均表现抗病,推测这段序列的缺失并不影响AvrPi9基因的功能;实时qRT-PCR分析结果表明,Pi9基因在穗部的表达量为苗期叶片表达量的47.3%。【结论】在水稻单基因系IRBL9-W中,与苗期叶片中Pi9基因的表达量相比,Pi9基因在穗部表达量的明显降低可能是造成IRBL9-W穗期感稻瘟病的原因。     

转Pi9抗稻瘟病基因水稻株系的比较转录组分析

【目的】在转录水平上解析Pi9基因介导的稻瘟病抗性调控机理,为培育抗病水稻品种提供理论依据。【方法】向水稻品种日本晴(NPB)及其转Pi9抗稻瘟病基因株系(NPB/Pi9)接种稻瘟菌。分别于接种后0 h、12 h、24 h、36 h提取叶组织样品,选取12503个水稻基因定制基因芯片,进行水稻基因转录组分析,并通过qRT-PCR对部分差异表达基因进行验证。【结果】NPB/Pi9在接种后12 h、24 h和36 h的基因表达量分别与其接种0 h表达量比较,共检测到7754个差异表达基因;相应地,感病水稻NPB在以上时间点共检测到7385个差异表达基因;在接种后36 h,NPB/Pi9的差异表达基因数目显著多于NPB。比较NPB/Pi9和NPB相同时间点的基因表达量,共获得4065个差异表达基因,其中接种后36 h的差异表达基因显著多于接种后0 h、12 h或24 h。因此,NPB/Pi9的稻瘟病防御反应更强烈。对NPB/Pi9与NPB相同时间点的差异表达基因进行GO和KEGG分析,细胞外区域、植物对刺激应答、转录调控、氧化还原、离子结合、次生代谢和植物激素相关的GO分类在接种后呈显著富集,苯丙氨酸代谢、类黄酮生物合成和植物激素信号途径的KEGG通路在接种后显著富集。与效应分子触发的免疫反应(ETI)相关的水杨酸信号途径、几丁质酶,以及与病原相关分子模式触发的免疫反应(PTI)相关的胞外区域、对刺激的应答、木质素合成等,均在抗感水稻之间差异表达。而且PTI/ETI共有的WRKY转录因子、MAPK激酶、茉莉酸和乙烯信号途径等发生差异表达。综上所述,NPB/Pi9和NPB的差异表达模式与ETI和PTI相关,两者相互联系并在Pi9介导的稻瘟病抗性中发挥作用。【结论】与日本晴比较,抗病基因型NPB/Pi9对稻瘟病防御反应更强烈。转录因子、激酶、NBS-LRR基因、几丁质酶、水杨酸、茉莉酸和乙烯信号途径,以及植物次生代谢在Pi9介导的稻瘟病抗病反应中发挥重要作用。     

江苏近年育成粳稻新品种/系的稻瘟病抗性基因及穗颈瘟抗性分析

【目的】明确水稻品种携带的抗稻瘟病基育种应用价值,是利用抗病基因培育抗病品种控制病害流行的重要前期工作。【方法】利用功能标记分析了14个抗稻瘟病基因在江苏近年育成的195个粳稻新品种/系中的分布情况,并对其中158个品种和17份携带抗稻瘟病基因Pigm的高世代回交株系进行穗颈瘟接种鉴定。【结果】大多数品种携带2~5个抗病基因,但所有品种均不含有Pigm基因;Pib、Pita和Pikh基因在供试品种中的分布频率较高,均在45%以上,其余基因均在30%以内;Pid3、Pid2、Pia、Pb1在新育成品种中的出现频率明显高于审定品种。测试品种对穗颈瘟的抗性主要与3个基因显著相关,贡献率由高至低依次为Pia、Pi3/5/i和Pita;其中,Pia或Pi3/5/i与Pita间的聚合效应均显著高于各基因单独存在时的抗病效应,且以Pia和Pita间的聚合效应最强,携带该基因组合的所有品种对穗颈瘟均表现抗至高抗水平抗性。回交导入Pigm基因的所有17份株系对穗颈瘟的抗性均显著高于各自轮回亲本,且均达到了抗病以上水平。【结论】抗病基因Pigm及基因组合“Pia+Pita”在江苏粳稻抗穗颈瘟育种中具有重要的育种应用价值。     

水稻抗性蛋白OsRRK1抗褐飞虱机理分析

目的 OsRRK1（Rop-interacting receptor-like kinase 1）蛋白是水稻中第一个被研究的类胞质受体激酶RLCKⅥ家族蛋白。在调控水稻叶片的卷曲和对褐飞虱的防御中都起着重要作用,但是其调控机理尚不清楚。本研究试图进一步探究OsRRK1基因抗褐飞虱的机理。方法 利用酵母双杂交的方法分析OsRRK1蛋白与OsLecRK（lectin-like receptor kinase）、OsLecRK1、OsLecRK2、OsLecRK3的互作关系,OsLecRK是抗褐飞虱基因BPH15区间的候选基因,是水稻先天免疫系统中一个重要成员,既参与水稻先天免疫反应,包括对褐飞虱、白叶枯病和稻瘟病的抗性,又参与水稻的发育过程。OsLecRK1、OsLecRK2、OsLecRK3的基因簇组成抗褐飞虱基因BPH3,含BPH3基因的水稻具有广谱、持久的抗虫性。同时利用DNAMAN软件分析OsLecRK蛋白与OsLecRK1、OsLecRK2、OsLecRK3的同源性。结果 DNAMAN的分析结果显示OsLecRK与OsLecRK1、OsLecRK2、OsLecRK3的同源性都很高,蛋白一致性在50%以上;酵母双杂交结果显示OsRRK1与OsLecRK、OsLecRK2和OsLecRK3互作。结论 OsRRK1通过与抗褐飞虱基因BPH15和BPH3候选基因的相互作用参与水稻抗褐飞虱过程。