水稻主效抗病基因抗白叶枯病和细菌性条斑病的细胞学机制研究

发布时间：2020-08-02 18:27

【摘要】：白叶枯病和细菌性条斑病是造成水稻产量损失严重的细菌性病害,水稻生产中对这两种病害的防治主要利用主效抗白叶枯病基因和主效抗细菌性条斑病数量性状位点(quantitative trait loci,QTL)。探讨水稻抗白叶枯病和细菌性条斑病的机制,有助于防控这两种病害,为水稻抗病育种提供理论依据。目前已经在水稻中鉴定并克隆了多个抗白叶枯病的主效基因,而且探讨了其抗病的分子机理,但是人们对这些主效基因抗病的细胞学机制却知之甚少。本研究主要利用透射电子显微镜,分析显性主效基因Xa1、Xa4、Xa21和隐性主效基因xa5、xa13抗病时的细胞超微结构变化。不同于感病的水稻叶片褪绿型叶片坏死,含有这些主效基因的抗病植株叶片在接种位点处呈现褐色坏死斑样的超敏反应细胞程序性死亡(hypersensitive response-programmed cell death,HR-PCD)。然而,显性主效基因Xa1、Xa4、Xa21介导的HR-PCD大部分为双层膜的膜泡和单层膜的膜泡结构等类自噬体结构为特征的细胞自噬;隐性主效基因xa5、xa13介导的HR-PCD大多数为液泡膜破裂为特征的破坏性液泡介导的细胞死亡;感病反应的细胞死亡为质壁分离和细胞膜破裂为特点的细胞坏死。细胞自噬抑制剂和碱性溶液能够分别部分地削弱Xa1、Xa4、Xa21和xa5、xa13介导的抗病反应。细胞自噬和破坏性液泡介导的细胞死亡分别都是Xa1、Xa4、Xa21和xa5、xa13抗病的细胞学基础,作为基础水平上的抗性参与主效基因介导的抗病反应。细胞自噬可能起着维持细胞的完整和活力为植株抗病提供细胞支撑,破坏性液泡介导的细胞死亡可能通过为细胞提供酸性环境抑制细菌生长或释放防御蛋白参与抗病。在我国水稻生产中发挥重要作用的抗白叶枯病主效基因Xa3/Xa26,同Xa1、Xa4、Xa21主效基因一样,介导维管束细胞发生细胞自噬。本研究利用基因表达分析技术和超微细胞化学的方法,深入分析了在Xa3/Xa26介导的抗病反应中细胞自噬与细胞死亡信号分子过氧化氢和钙离子之间的关系。与感病反应相比,Xa3/Xa26介导的抗病反应中,OsATG5,OsATG6a,OsATG7和OsATG8c等自噬相关基因(autophagy-related gene,ATG)被诱导上调表达,木质部薄壁细胞出现双层膜的膜泡和单层膜的膜泡等类自噬体结构,叶片中的过氧化氢含量降低特别是木质部薄壁细胞的细胞膜上的过氧化氢减少,钙离子在液泡中积累。细胞自噬抑制剂通过抑制类自噬体的生成部分地削弱Xa3/Xa26介导的抗病反应,同时增加接种位点处过氧化氢的含量,阻止钙离子从细胞外向液泡中的运输。这些说明,Xa3/Xa26诱导的细胞自噬通过清除过量的过氧化氢胁迫并激活钙离子信号参与水稻抗白叶枯病。xa5既是抗白叶枯病菌的主效基因,也是抗细菌性条斑病效应最强的主效QTL qBlsr5a中贡献最大的基因。与感病反应相比,xa5介导的抗细菌性条斑病反应中,与细菌直接互作的叶肉细胞细胞壁呈现以下特点:表面结构较完整且致密、纤维素微纤丝交错排列、细胞间的连接完整;生成细胞壁主效成分纤维素的水稻纤维素合成酶(cellulose synthase,CESA4/7/9)基因被显著诱导上调表达。xa5介导的抗病植株中,接种位点处细菌性条斑病病菌的数量不变而是接种位点旁边的扩散病斑中的细菌数量减少。这些说明xa5介导的抗细菌性条斑病反应中,完整的细胞壁结构限制了细菌在叶片细胞间的扩散。然而,xa5介导的抗白叶枯病反应中,纤维素合成酶基因不被显著地诱导上调表达,同时白叶枯病菌对细胞壁结构的破坏能力明显弱于细菌性条斑病病菌。细胞壁结构不完整和厚度减小,均能削弱水稻对细菌性条斑病的抗性。这些进一步说明,细胞壁在水稻抗细菌性条斑病中起着重要作用,而在xa5介导的抗白叶枯病反应中的作用不大。与感病反应相比,xa5介导的抗细菌性条斑病反应中,茉莉酸及其前体物12-氧-植物二烯酸(12-oxo-phytodienoic acid,OPDA)含量升高,叶片中叶绿体的淀粉粒含量减少。这些暗示了,茉莉酸和用于生成淀粉的糖类分子可能通过调节细胞壁的合成,来参与xa5介导的抗细菌性条斑病反应。本研究还建立了定位抗病主效基因编码蛋白质的免疫金标技术,发现了XA4蛋白定位于细胞壁上;还利用纤维素荧光染色技术较好地分析了Xa4对纤维素含量和茎秆细胞长度的影响。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S435.11
【图文】：

植物免疫系统的拉链模型(JonesandDangl2006)

需要通过防御反应基因（defense-responsive genes, DR）来实现最终的抗病，而且两种抗病反应中的 DR 基因还存在互作，因此模体诱导的免疫反应和效应子诱导的免疫反应不能严格区分开（图 2）（Kou and Wang 2010; Thomma et al 2011; Zhang andWang 2013）。

抗病材料的病斑长度显著小于感病材料的病斑长度（图4B）。因此，我们将分析以上材料与白叶枯病菌互作后第 3 天、第 5 天和第 14 天的接种位点处维管束薄壁细胞的超微结构，探讨细胞死亡类型。图 4 抗病材料和感病材料接种位点的表型Fig. 4 Phenotypes of different rice line Xoo train interactions(A)抗病材料 IRBB1，IRBB4，IRBB5，IRBB13，IRBB21 和感病材料 IR24 分别接白叶枯病菌菌株 T7174，PXO61及 PXO99

【参考文献】

相关博士学位论文 前1条

1 沈祥陵;丝裂原活化蛋白激酶类基因在水稻抗病反应中的功能机理研究[D];华中农业大学;2010年

本文编号：2778893