水稻三个含MtN3结构域抗病基因在水稻—白叶枯病菌互作中协同/竞争机制的研究

Rice bacterial leaf blight was a serious disease caused by Xanthomonas oryzae pv.oryzae (Xoo). In the previous research we found the xa13 and xa25 belonging to MtN3 gene family were recessive disease resistance gene, whereas rice that containing the corresponding dominant allele Xa13, Xa25 and Os11N3 which were regulated by effectors of Xoo respectively, was susceptibility to Xoo. The relationship between the three genes was not clear until now. In this project we focus on the molecular relationship of the three genes belonging to the MtN3 gene family during rice-Xoo interaction, it including: analyse the mechanism of the three genes functioning in sugar transporting during Xoo infracting rice, mainly in transporting sugar varieties preferences and transporting cell types preferences; identify the helper proteins for Xoo effectors targeting the rice genes, specificity, and analyse the mechanism that how helper protein screening three genes after Xoo infecting; explore the new method to use the helper proteins in rice genetics improvement; identify the collaborative or competition mechanism among the three genes during rice-Xoo interaction. This research would broaden the molecular mechanism of host-microbe interaction, and also may provide new tactics for disease resistance breeding.

白叶枯病是水稻的重要细菌性病害。在前期工作中我们发现来自于同一个MtN3基因家族的xa13和xa25基因均为抗病主效基因，而它们对应的显性Xa13、Xa25和该家族Os11N3基因分别受白叶枯病菌不同效应蛋白调控，造成水稻感病，但是这同一基因家族的三个成员之间关系尚不明确。本项目拟研究这三个基因在水稻-白叶枯病菌互作中彼此之间的生物学关系，主要内容包括：分析这三个基因转运糖类与白叶枯病菌侵害水稻之间的分子机制，重点分析它们转运糖类种类特异性和在特定细胞类型中转运方向性；确定协助白叶枯病菌效应蛋白特异调控这三个基因的辅助因子，解析这三个基因之间应对这些辅助因子甄别而进行博弈的分子机制；探索利用这些辅助因子在作物抗病遗传改良中途径；最终明确这三个基因在水稻-白叶枯病菌互作中彼此之间的分子协同互作或竞争关系。本研究不仅能够丰富对寄主-病菌过程互作复杂机理的认识，而且也为作物抗病育种提供新的思路。

白叶枯病是危害水稻生产的最为重要的细菌性病害，在世界水稻产区危害非常严重。我们前期的研究发现水稻的显性Xa13和Xa25基因是感病基因，而它的隐性xa13和xa25基因是抗病基因。这两个基因属于同一个SWEET基因家族，均含有保守的MtN3结构域。显性Xa13和Xa25基因和该家族的Os11N3基因感病是由于白叶枯病原菌的TAL效应子蛋白可以直接靶定在它们的启动子上以调控它们的表达，从而导致水稻感病。而它们对应的隐性基因由于该启动子区发生变异，白叶枯病原菌的TAL效应子蛋白不能稳定结合，不能诱导相应基因表达，从而水稻抗白叶枯病原菌。我们进一步研究发现：白叶枯病原菌的不同TAL效应子蛋白靶定在Xa13、Xa25和Os11N3的启动子过程中均需要寄主水稻的基本核心转录因子TFIIAg的存在，即细菌的关键致病因子TAL蛋白的TFB保守结构域通过与水稻的基本核心转录因子TFIIAg相互作用，以便于TAL效应子的RVD结构域更稳定与寄主感病基因的启动子区结合，利于感病基因的上调表达，紊乱水稻的转录调控网络，从而造成寄主感病，利于白叶枯病原菌的繁衍。同时，我们还发现黄单胞杆菌在危害寄主过程中，它们的关键致病因子TAL效应子蛋白均需要和对应的寄主的基本核心转录因子TFIIAg相互作用，才能保证TAL效应子蛋白更加稳定结合在寄主感病基因的启动子上，从而导致植物感病，我们在柑橘、番茄、辣椒中均发现了这种植物—病原细菌互作的通用范式机制。同时，我们还发现Xa13基因的5‘UTR区域存在一个上游开放阅读框，在转录过程中调控Xa13基因的表达，该现象的发现丰富了植物—病原菌互作的机制。本研究的发现揭示了一种植物—病原细菌互作的普遍机制，即黄单胞杆菌在危害寄主植物过程中它们的关键致病效应子必须依赖于寄主的基本核心转录因子才能激活感病基因的表达，造成植物感病，有利于病原细菌的入侵和繁衍。