水稻与病原物互作蛋白质组学研究进展

植物与病原物互作的分子机制一直是植物病理学研究的热点。近年来,功能基因组学研究策略,包括蛋白质组学和转录组学,已广泛应用于基因、蛋白的功能鉴定和表达谱研究。蛋白质组学作为转录组学研究的一个互补内容,已成为系统研究植物应答病原物侵染的蛋白质表达谱和翻译后修饰的有力工具。水稻作为已完成基因组测序的单子叶植物,是研究植物与病原物互作分子机理的理想模型。因此,着重介绍了蛋白质组学的研究技术,水稻响应细菌、真菌及病毒等病原物侵染的蛋白质组学研究进展和水稻与病原物互作磷酸化蛋白质组学的概况。     

水稻OsBBR1基因的白叶枯病抗性研究

水稻Y73是疣粒野生稻和栽培稻‘大粒香’经不对称体细胞杂交产生的后代,它对水稻白叶枯病表现为高抗。Y73在接种白叶枯病菌株P10 (PXO124) 后,一个NBS-LRR类基因的表达量显著上调。为了研究该基因的水稻白叶枯病抗性,采用RT-PCR技术从Y73中克隆了该基因的CDS片段 (2 631 bp),将该基因命名为OsBBR1(Bacterial Blight Resistance-related gene 1),并且利用pCAMBIA1300双元载体分别构建了OsBBR1基因超表达及干涉载体,采用农杆菌介导的转基因方法获得了转基因水稻植株。接菌试验显示,抑制OsBBR1基因的表达,能减弱抗病材料Y73的抗性;而提高OsBBR1基因的表达水平,则能增强感病材料的耐病性。结果表明OsBBR1基因与水稻白叶枯病抗性直接相关。此外,OsBBR1基因亚细胞定位结果还显示,OsBBR1编码产物主要定位于水稻细胞膜和细胞核,表明该基因很可能与信号转导和下游基因转录密切相关。     

水稻抗白叶枯病相关基因的亚细胞定位

利用亚细胞定位技术对水稻抗白叶枯病相关基因的表达产物进行了分析,为基因功能分析提供了重要信息。通过前期基因芯片筛选、半定量/定量PCR的验证及基因功能注释,从高抗白叶枯病水稻品种Y73中筛选了18个潜在的与抗白叶枯病相关的基因,并在烟草叶片细胞中进行亚细胞定位分析。通过观察融合有绿色荧光标记(sGFP)的表达产物,初步了解这些基因在烟草细胞中的表达位置。经过激光共聚焦显微镜观察后发现: 其中4个基因的 sGFP 融合蛋白定位于细胞核上,可能发挥了转录因子的功能;4个基因的 sGFP 融合蛋白定位于细胞质膜上,推测可能与细胞质膜的稳定或控制蛋白转运相关;4个基因的 sGFP 融合蛋白同时定位于细胞核和细胞质膜上;另有6个基因的 sGFP 融合表达后没有观察到明显的定位信号。     

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。     

过表达一个疣粒野生稻的Ricin_B凝集素基因OmR40c1增强水稻耐盐性

盐胁迫是影响盐/碱稻区水稻产量的主要逆境因素。研究耐盐相关基因,对于培育水稻抗逆品种具有重要意义。OmR40c1是从疣粒野生稻(Oryza meyeriana)中分离获得cDNA序列,与已报道的受脱落酸与盐诱导的OsR40c1的CDS序列完全相同,但在5′端UTR和3′端UTR区域有差别。有关OmR40c1基因功能的研究还未见报道。本研究的主要目的是初步分析OmR40c1在水稻耐盐性中的作用。对栽培稻日本晴(Oryza sativa L.var.Nipponbare)进行脱落酸(abscisic acid,ABA)和盐胁迫处理,OsR40c1基因均上调表达。构建基因定位载体并注射烟草表皮细胞,其结果表明OmR40c1定位于细胞质膜和细胞核上。构建超表达载体并转染日本晴,PCR及qRT-PCR结果均显示OmR40c1在转基因材料中成功表达。OmR40c1可能参与种子萌发。174mmol/L盐胁迫下,野生型种子的发芽率下调一半左右,转OmR40c1基因水稻种子发芽未受影响;转OmR40c1水稻苗期的株高是未经盐处理转基因水稻株高的一半左右;而野生型的株高是未经盐处理野生型水稻株高的1/6左右。盐胁迫下,水稻叶片、根长等都受到不同程度的影响。盐胁迫下,转OmR40c1基因水稻植株内的Na~+浓度是野生型的1.38倍;K~+浓度是野生型的1.25倍。综上,OmR40c1一定程度提高了水稻的耐盐性,且苗期的耐盐性高于成株期。     

基因编辑技术在水稻抗病基因与育种研究中的应用进展

水稻是我国重要的粮食作物之一,更是世界上30多亿人的主要食物来源。近几十年,各种病原菌、虫害、气候变化以及其他不利环境因素层出不穷,对全球粮食安全生产构成了严重威胁。对于高产抗病水稻植株的研究需求越发迫切,但传统育种手段过程繁琐复杂、效率不高,因此利用基因编辑技术推进水稻抗病育种进程成为研究重点。其中以CRISPR系统、锌指核酸酶(ZFN)、转录激活样效应因子核酸酶(TALEN)、单碱基编辑系统(BE)和引导编辑系统(PE)等为代表的技术,在对水稻进行高效定点基因编辑,在缩短育种周期,培育综合抗性强的水稻品系方面起到了较大作用,并在基因研究、作物遗传改良等方面展示出了巨大的潜力。本文对基因编辑技术的原理,基因编辑技术的发展,以及基因编辑技术在水稻抗病基因及育种研究中的应用进展进行了综述,并展望了基因编辑技术在抗病育种中的应用前景。     

疣粒野生稻体细胞杂交后代Y73快繁技术

通过采用疣粒野生稻和栽培稻体细胞杂交的方法获得其体细胞杂交后代,从而实现疣粒野生稻遗传物质向栽培稻的定向转移工作。结果表明,胚性愈伤组织的诱导率在11.1%~14.2%,随后转入分化培养基MS+NAA 1.5~2.0 mg·L ^-1+6-BA 0.1~0.3 mg·L ^-1+KT 1.5~2.0 mg·L ^-1中培养,成苗率在28.6%~40.7%左右。成苗后转入1/2MS+IAA 0.01~0.30 mg·L ^-1生根培养基中,生根率达到91%。炼苗14 d后移栽到苗床,成活率达到90%。结果表明,培苗快繁技术可在短期内实现体细胞杂交后代Y73的快速生长及繁育,这为水稻新种质创制和抗病分子育种奠定基础。     

木质部次生细胞壁增厚参与疣粒野生稻对黄单胞杆菌水稻变种的抗性

 黄单胞杆菌水稻变种（Xanthomonas oryzae pv.oryzae,Xoo）引起的水稻白叶枯病是一个世界性的严重病害。疣粒野生稻（Oryzae meyeriana）对Xoo具有高度抗性,但其抗性机制仍不清楚。本文以抗病的疣粒野生稻和感病的水稻品种大粒香为材料,研究了Xoo侵染对叶片病斑、叶绿体超微结构、光合系统活性和木质部超微结构的影响。结果表明,多种Xoo生理小种导致的疣粒野生稻叶片病斑长度都明显短于大粒香叶片的病斑长度。Xoo病菌侵染显著破坏了大粒香的叶绿体结构,明显抑制了其光合活性,而疣粒野生稻中的变化要轻得多。通过电镜切片,发现疣粒野生稻叶片导管内存在大量的Xoo病菌,这表明Xoo能够侵染疣粒野生稻且能够在叶片内增殖。病菌的侵染诱导了疣粒野生稻木质部次生细胞壁的增厚,抑制了病菌通过导管纹孔向邻近细胞的进一步侵染,这种反应可能参与了疣粒野生稻对Xoo的抗性。     

基于Gateway技术的低成本植物双分子荧光互补分析系统

创制基于Gateway重组技术的双分子荧光互补（bimolecular fluorescence complementation, BiFC）载体,同时创制低成本低克隆背景的Gateway入门载体。利用入门载体,采用Gateway技术快速将目标基因重组到BiFC目标载体,并采用农杆菌注射侵染烟草的方法观察荧光互作结果。构建的Gateway入门载体,由于带有ccdB基因,非线性化的载体无法在ccdB敏感菌株中生长,因此消除了载体本身的背景。同时由XcmⅠ酶切后产生的T突出,可以很好地与PCR产物结合,连接效率和普通商业化T载体一致。此外,由于载体可由实验室自行制备且采用了TA克隆,创制入门克隆的成本大大降低。借助该研究改造的BiFC目标载体,目的基因能快速地重组到目的载体用于基因互作鉴定。利用本研究构建的Gateway系统,能够以较低成本快速的进行基因克隆和互作研究。     

一氧化氮参与疣粒野生稻对水稻白叶枯病的抗性

疣粒野生稻高抗水稻白叶枯病,但是其具体的抗性机制目前仍不清楚。一氧化氮（nitric oxide,NO）是一种重要的信号分子,在植物的抗病反应中起到了重要的作用,然而对于NO是否参与疣粒野生稻对水稻白叶枯病的抗性目前仍缺乏研究。以抗病的疣粒野生稻和感病的水稻品种日本晴为材料,研究了接种白叶枯病菌对叶片病斑、NO含量、NO亚细胞定位和木质部超微结构的影响。结果表明,病菌侵染导致了日本晴叶片呈现枯黄色的干枯斑,疣粒野生稻叶片呈现褐色的凋亡斑,而且野生稻的病斑长度要明显短于日本晴的病斑长度。接种白叶枯病菌后日本晴叶片内NO含量未见明显的变化,而野生稻叶片内NO含量则显著升高,并且大部分的NO定位于导管细胞壁内。进一步通过电镜观察,发现病菌侵染诱导了野生稻叶片导管细胞壁厚度的明显增加。基于这些结果,推测NO参与了疣粒野生稻对白叶枯病的抗性,其功能可能包括诱导导管细胞壁增厚,从而抑制病菌的进一步侵染。