水稻抗纹枯病QTLqSB-11LE的功能及作用机理研究

Sheath blight (SB) is one of the three major rice diseases, causing serious grain losses annually. Developing resistance variety is the most economic approach to control disease. Isolation of disease resistance gene and elucidating its mechanism are of great imoprtance for developing resistant variety. Rice resistance to SB is controlled by polygenes or quantitative trait locus (QTL), therefore only SB resistance QTLs could be employed in rice breeding. In our previous studies, we found that the QTL qSB-11LE has a great breeding potential, which could reduce grain losses up to 10.71% under serious disease condition. Through map-based cloning, we have confirmed that the gene encoding a receptor-like protein is responsible for this QTL. Based on the preliminary data, we also found qSB-11LE involves in regulation of ethylene signal. .In order to further elucidate qSB-11LE-mediated signalling, in this project we will 1) to investigate if qSB-11LE is involved in known PAMPs triggered PTI signalling, and analyze the roles of the interaction proteins in qSB-11LE-mediated defense signal; and 2) to analyze the downstream signals (like ethylene-mediated signal) regulated by qSB-11LE; and 3) to determine its allelic variation in rice natural germplasms as well as developing functional molecular markers for accelerating its utilization in rice molecular breeding against SB. The proposed project will elucidate the mechanism of qSB-11LE mediated resistance to SB fungus, which will provide new approaches to control this disease.

纹枯病是水稻三大病害之一，每年均造成严重的产量损失。培育抗病品种是控制病害的最有效措施，而克隆抗病基因并解析其机理是抗病育种的重要前期工作。水稻对纹枯病的抗性是典型数量性状，抗病育种中只能利用抗病QTL。我们前期发现抗纹枯病QTLqSB-11LE具有较高育种价值，在纹枯病重发生情况下可减轻产量损失10%以上。通过图位克隆我们确定其编码一个类受体蛋白，初步研究显示其参与调控乙烯信号。.为进一步明确其功能和作用机理，本项目将1）分析其与已知PAMPs触发的早期PTI反应途径间的关系、鉴定其互作蛋白及在其介导的早期抗病信号传递中的作用，初步阐明其介导的早期抗病反应机制；2）通过RNA-seq、表达分析等方法，阐明其参与调控的乙烯或其它下游信号途径；3）分析其在水稻自然品种中的序列变异特征，开发功能标记服务于抗病育种。结果将加速qSB-11LE的育种应用，并为建立水稻纹枯病防治策略提供新思路。

纹枯病是水稻最严重的病害之一，在我国南方稻区的部分区域已发展为水稻第一病害。由于缺乏高抗资源和抗性机理明确的基因，导致抗病育种一直进展缓慢。本项目针对一个具有较高育种价值的抗纹枯病数量基因qSB11LE（以下简称SB11）开展了抗病机理和育种利用研究。已取得的重要结果有：1）明确了SB11的生物学功能及表达定位模式：通过转基因功能互补及表达分析，证实SB11编码一个受体类蛋白（RLP），缺乏胞内结构域，在膜、核中有定位，在叶鞘中表达最强，受纹枯病菌而不受白叶枯病菌诱导；（2）初步确定SB11可能介导或参与调控一个新的PAMPs/DAMPs激发的水稻PTI或早期免疫反应：利用真菌几丁质Chitin和细菌鞭毛短肽flg22，以及纹枯菌粗毒素和胞壁降解酶，处理SB11的近等基因系、超表达系和RNAi系，证实SB11参与调控Chitin和胞壁降解酶激发的免疫反应；对已知受体类基因突变体进行表型鉴定及互作分析，发现SB11与OsBAK1、OsBIK1、OsRLCK117等水稻上已知的受体类蛋白激酶间均没有互作，也不参与其介导的水稻对纹枯菌的免疫反应；通过广泛筛选和预测分析，确定了一个与SB11互作的胞质激酶蛋白；（3）通过RNAseq、次生代谢物分析等试验，证实SB11通过影响纹枯菌侵染后诱导的乙烯合成进而激活乙烯信号增强水稻对纹枯病的抗性；（4）通过构建抗、感等位基因的超表达系、编码区不同变异位点的点突变转基因系，证实SB11抗感等位基因间的功能差异主要与编码区中的64th和309th氨基酸变异有关；（5）明确了SB11在水稻自然品种群体中的分布特征及育种利用策略：查询水稻3K品种资源及26种野生稻在SB11座位上的序列，发现SB11的序列相对保守，共存在5种单倍型，未检测到显著的人工或自然选择信号；抗病单倍型主要存在于粳稻中，籼稻普遍携带感病单倍型，表明SB11可广泛用于籼稻的纹枯病抗性改良；针对关键变异位点开发了功能性分子标记，发现导入SB11的籼稻品种特青对纹枯病的抗性显著提升。以上关于SB11的机理解析结果，将进一步丰富水稻抗纹枯病分子机制的理论认知，具有重要的理论价值；采用项目开发的功能性分子标记，有望显著加速SB11在籼稻抗纹枯病分子育种中的应用，有利于减轻以籼稻为主的我国南方稻区纹枯病发生严重的问题，具有特别重要的实际意义。