水稻稻瘟病抗性基因Pi-w(t)的克隆与功能鉴定

Rice blast disease is one of the most serious and recurrent problems in rice-growing regions. It happens to various extents every year and the yield loss can reach to hundreds of millions of kilograms affecting the food security and rice production seriously. Hence, cultivating rice varieties with highly efficient, durable resistance to blast is still the most economically feasible and environmentally sound management approach in most blast-prone rice ecosystems. Here, we extensively examined blast resistance based on a genome-wide association study (GWAS) in the natural population composed by 517 diverse rice accessions. The locus named Pi-w(t), which was associated with several physiological races, was chosen for gene cloning, functional analysis and breeding application in this study. Pi-w(t) was confirmed by vector construction and transgenosis technology. The technologies in molecular biology, cytobiology and bioinformatics were used to explore the functional and regulatory mechanism of Pi-w(t). Finally, it was expected that Pi-w(t) can be applied in breeding through molecular maker assistant selection and conventional breeding and improved the resistance of rice blast.

水稻稻瘟病是水稻主栽区最严重的病害之一，每年都有不同程度的发生，产量损失可达数亿公斤，严重影响我国水稻生产和粮食安全。而防治稻瘟病最有效、最经济、最根本的措施是发掘水稻自身的抗性基因资源，培育和利用持久高抗品种资源。本项目是以517份地方品种组成的自然群体为研究对象，基于全基因组关联分析的方法在水稻整个基因组上分析水稻稻瘟病抗性位点。本项目选取了在多个生理小种均能关联到的一个位点—Pi-w(t)，进行基因克隆、功能研究及育种应用。通过载体构建及转基因鉴定Pi-w(t)的正确性，以及利用分子生物学、细胞生物学及生物信息学等手段对Pi-w(t)的功能进行研究，探索Pi-w(t)的作用机理及调控网络，最后希望通过分子标记辅助及常规育种等手段，将Pi-w(t)应用于育种中，从而提高水稻的抗稻瘟病能力。

水稻稻瘟病是水稻主栽区最严重的病害之一，每年都有不同程度的发生，产量损失可达数亿公斤，严重影响我国水稻生产和粮食安全。而防治稻瘟病最有效、最经济、最根本的措施是发掘水稻自身的抗性基因资源，培育和利用持久高抗品种。本项目是以517份地方品种组成的自然群体为研究对象，基于全基因组关联分析的方法在水稻整个基因组上分析水稻稻瘟病抗性位点。本项目选取了在多个生理小种均能关联到的一个位点—Pi-w(t)，进行基因克隆、功能研究。我们构建了遗传互补载体，并转入到常规粳稻品种日本晴中，通过对转基因植株的稻瘟病接种鉴定，我们发现转基因植株接种后的病斑面积较对照明显降低，证明了Pi-w(t)的功能，说明Pi-w(t)能够显著提高水稻的稻瘟病抗性。GUS染色与qRT-PCR结果都表明Pi-w(t)的表达主要集中在叶片上，而在根中基本不表达。亚细胞定位结果发现Pi-w(t)是一个细胞质表达的抗病基因。我们深入对其进行抗病机理研究时发现Pi-w(t)可以直接或者间接影响水稻中PR相关基因，从而调控水稻的抗病能力。同时也影响着ROS中的一些生理指标（包括SOD和MDA含量）。另外，RNA-seq结果共检测到127个差异表达基因，其中大部分为上调基因。因此，Pi-w(t)基因可以促进一系列基因的上调，从而调控水稻的抗病性。进一步，我们对这些上调基因进行研究，发现大部分基因都参与植物激素信号途径，另外，还有一些PR基因也检测到表达量上调。因此，PR相关基因的表达量增加对Pi-w(t)的抗病性有着具大的作用，并且Pi-w(t)也参与植物激素的信号途径从而影响水稻的稻瘟病抗性。