水稻防御系统响应稻瘟菌效应蛋白基因MoSDT1在植株内过量表达的研究

Pathogen effectors play a key role in the interaction of host plant and pathogenic fungi, and determine the interaction result of either inducing plant defense response or causing pathogenicity. Our previous results found that, C2H2-Zn domain may enable effector MoSDT1 of Magnaporthe oryzae to play a great role in triggering defense response of rice plants. Accordingly, MoSDT1-overexpressed transgenic rice lines will be used in this program to determine the influence of overexpression of MoSDT1 in rice to plant resistance based on plant resistance identification, to illustrate the defense response of rice plants to MoSDT1 at biotrophic developmental stage of Magnaporthe oryzae at cellular and physiological level based on microscope observation of cellular structure changes and measurement of physiological indicators, e.g. reactive oxygen species (ROS), callose, et al.,to reveal the overall metabolic network and related key genes involved in defense response of rice plants to Magnaporthe oryzae infection within proteome based on proteome sequencing and analysis, as well as further researches on expression patterns of related genes. The research results will not only explain the roles of effector MoSDT1 in manipulating defense response of rice plants, but also help to understand the pathogenic mechanism of Magnaporthe oryzae, and thus, have great guiding significance in rice blast disease controlling and disease resistance breeding.

效应蛋白在病原菌与寄主植物互作中起着至关重要的作用，决定着互作的结果是诱导寄主防御响应还是致病。项目组前期研究发现，含C2H2-Zn锌指结构的稻瘟病菌效应蛋白MoSDT1可能在激活植株防御响应方面发挥着重要的作用。据此，本项目拟以MoSDT1过表达水稻植株为材料，开展植株抗性鉴定，明确MoSDT1在水稻植株中过量表达对植株抗性的影响；通过显微观察植株细胞结构变化及测定植株活性氧和胼胝质等生理指标，在细胞和生理水平上阐明水稻防御系统在稻瘟病菌活体营养阶段对MoSDT1的响应机制；通过蛋白组测序分析及进一步的相关基因表达模式研究，在蛋白组范围内全局性揭示水稻响应稻瘟病菌侵染的代谢网络及关键基因。研究结果不仅能解答效应蛋白MoSDT1在调控水稻植株防御响应机制上具有的功能，还将有助于理解稻瘟病菌致病机理，对稻瘟病防治及抗病育种具有重要指导意义。

病原菌效应蛋白在病原菌与寄主植物互作中起着至关重要的作用，决定着互作的结果是诱导寄主防御还是致病。项目组前期研究发现，稻瘟病菌效应蛋白MoSDT1在水稻中过量表达的转基因水稻株高、分蘖数和百粒重等表型与野生型基本一致，且转基因水稻抗瘟性显著提高，但对其机制不清楚。据此，本项目以MoSDT1过表达转基因水稻植株为材料，开展了相关研究，从细胞、分子、代谢和蛋白水平开展了MoSDT1激活水稻防御提高抗瘟性的机制研究，主要研究内容涉及：稻瘟菌效应蛋白MoSDT1过表达水稻植株防御响应分析；病原相关分子模式PAMP引发MoSDT1转基因水稻PTI分析；细胞学观察MoSDT1对稻瘟菌侵染进程和水稻细胞结构的影响；代谢组学和磷酸化蛋白组学鉴定MoSDT1对水稻代谢物和水稻蛋白磷酸化的影响等研究。通过上述研究，取得了重要结果：项目全面阐明了MoSDT1在水稻中异源表达激活水稻防御提高水稻抗瘟性的机制。首先，从分子水平明确MoSDT1激活水稻PTI和JA防御提高水稻抗瘟性；其次，细胞层面阐明了MoSDT1增强水稻细胞活力而且MoSDT1在加快稻瘟菌侵染水稻时稻瘟菌营养方式转变中发挥作用；第三，代谢水平阐明了MoSDT1提高水稻抗瘟性的代谢基础，体现在MoSDT1诱导水稻初级代谢物显著积累，且水稻初级代谢物外源处理感病水稻可激活水稻防御响应提高水稻抗性；最后，蛋白水平明确MoSDT1在水稻中过表达增加了水稻蛋白磷酸化位点。以上研究结果在国内外核心刊物上发表论文9篇，其中MoSDT1调控水稻防御响应等研究结果在International Journal of Molecular Sciences上发表；稻瘟菌效应蛋白调控水稻抗瘟性的代谢基础以及水稻初级代谢物在水稻病害防治上的潜在应用前景等结果在BMC Plant Biology等发表；针对本项目中发现的茉莉酸信号在MoSDT1转基因水稻抗瘟性中的重要作用，撰写了茉莉酸控病研究的综述在Frontiers in Plant Science上发表引起广泛关注和引用，被引200余次。项目系统阐明了效应蛋白MoSDT1在调控水稻植株防御响应的分子机制和代谢基础，明确水稻初级代谢物在水稻病害绿色防控上具有潜在的应用前景。研究结果可为水稻病害绿色防控策略制定及水稻基因编辑抗病育种提供重要的基础数据和种质材料。