转录因子NbNAC1调控植物系统性抗性防御病毒入侵的作用研究

It is well established that NAC transcription factors play essential roles in response to biotic stress. However, the molecular mechanism how NAC transcription factors regulate plant hormones signal transduction pathway in response to virus infection is unknown. Previous studies revealed a new mechanism for the interaction between JA and SA in mediating systemic resistance response to virus infection. When the plants are subjected to virus invasion, they will trigger JA signaling immediately for establishing early initiation phase of systemic resistance. After that, SA signaling is activated strongly to establish a broad systemic resistance. We will use NbNAC1 overexpression and knockdown plants to study the molecular mechanism for NbNAC1 regulation the SA and JA in mediating systemic resistance response to virus invasion. We will carry out the below studies: 1) the effect of overexpression or knockdown NbNAC1 on plant systemic resistance and SA and JA signal pathways; 2) the effect of knockdown plant hormone and NAC signal on plant systemic resistance; 3) How the NbNAC1 regulates SA and JA synthesis and the expression of their downstream related defense genes. Our studies will provide a theoretical foundation for using genetic engineering to improve crop resistance, cultivating good varieties and enhancing the plants’ resistance to pathogens.

NAC转录因子在调控植物应答生物胁迫起着重要的作用，然而NAC 转录因子调控植物激素信号传导途径来应答病毒入侵的分子机制还很不清楚。前期我们的研究揭示了一个全新的水杨酸(SA)和茉莉酸(JA)相互作用机制调控系统性抗性应答病毒入侵。当植物遭受病毒的入侵，植物首先诱导JA信号来建立早期的系统性防御反应，而SA信号则在病毒接种后期被激活。我们将通过构建NbNAC1过表达和抑制植物来探究NbNAC1调控SA和JA介导的系统性抗性应答病毒入侵的分子机制。我们将开展以下研究：1) 过表达或抑制NbNAC1的表达对植物系统性抗性以及对SA和JA信号途径的影响；2) 同时缺乏激素信号与NAC信号对植物系统性抗性的影响；3) NbNAC1调控SA和JA合成及它们下游相关防御基因的表达。该研究将为利用基因工程原理改良农作物的抗逆性，培育优良品种，增强植物对病原菌的抵抗力提供重要的理论依据。

NAC转录因子在植物生长发育中具有重要的调控作用。而且也参与植物对干旱、高盐、低温等非生物和病原菌侵染等生物胁迫的抗逆反应、激素信号途径的转导、机体的凋亡等方面，已成为当前植物基因功能及表达网络调控研究中的热点。然而有关 NAC 转录因子调控植物激素信号传导途径来应答病毒入侵的分子机制还很不清楚。通过本项目的资助，我们研究了本生烟 NbNAC1 转录因子调控植物激素信号传导途径来应答病毒入侵的分子机制。首先我们通过RT-PCR的方法成功从本生烟中克隆得到NbNAC1的全长序列。通过构建系统发生进化树的结果表明，NbNAC1与番茄SlNAC1和辣椒CaNAC1的亲缘关系最近。烟草花叶病毒（TMV）感染本生烟后，通过荧光定量PCR检测发现NbNAC1基因的表达显著升高。利用病毒诱导的基因沉默技术(VIGS)成功抑制NbNAC1的表达接种TMV，荧光定量PCR和western blot检测病毒的复制情况。结果表明沉默NbNAC1的植株中病毒大量积累，植物的系统性抗性减弱。进一步研究表明，沉默NbNAC1的植株中水杨酸含量明显下降，水杨酸合成途径关键酶基因NbICS1、水杨酸信号途径关键基因NbNPR1和水杨酸途径相关的防御基因NbPR1、NbPR2、NbPR5的表达显著下降。进一步同时缺失SA和NbNAC1信号，研究植物系统性抗性是否发生变化。同时缺失SA和NbNAC1的植株在接种TMV后，电导率和丙二醛含量显著上升，进一步通过荧光定量PCR和western blot检测病毒的复制情况，结果表明同时缺失SA和NbNAC1的植株中病毒大量积累，植物变得超级敏感TMV，说明植物的系统性抗性显著减弱。将NbNAC1基因的全长序列连接到植物表达载体pCAM1305载体上，获得pCAMBIA1305-NbNAC1-HA，通过转基因技术在本生烟中过量表达NbNAC1蛋白，筛选获得稳定过量表达NbNAC1的植株。我们已成功筛选获得过量表达NbNAC1的转基因植株。接种TMV-GFP，观察植物系统性抗性的变化。在过量表达NbNAC1的转基因植株中，病毒复制量显著下降，植物的系统性抗性增强。我们的结果为利用基因工程原理改良农作物的抗逆性，培育优良品种，增强植物对病原菌的抵抗力提供重要的理论依据。