拟南芥中抗白粉病新途径相关基因的克隆与功能鉴定

Powdery mildew can infect many crops, including wheat, barley, cucumber and rubber trees, which leads to great loss in agriculture world wide. It has been an important research topic to study the molecular mechanisms of plant defense responses against powdery mildew disease. Plant resistance to powdery mildew is mainly mediated by plant hormones, such as salicylic acid, jasmonic acid/ethylene. We isolated a powdery mildew-resistant mutant in Arabidopsis, pmr5, whose resistance is independent on any of the known defense pathways we've tested. PMR5 is a plant specific protein with unknown function and it defines a novel defense pathway. To find more players in this pathway, we screened pmr5 suppressors and obtained multiple mutants. Many suppressors, including the one we cloned, have pleiotropic effect on plant development and resistance to abiotic stresses. Genetic analysis has shown that there are multiple players in this pathway. Cloning and characterization of these suppressors will provide deep insight into the molecular mechanisms of plant resistance to powdery mildew. They can also be good candidate genes for crop improvement.

白粉病是一种世界性的病害，小麦、大麦、黄瓜、橡胶树等重要粮食作物和经济作物都是白粉菌主要侵染对象，每年给全球农业造成巨大损失。因此植物抗白粉病的分子机制，成为植物学家一个重要的研究课题。植物对抗白粉病，主要是通过水杨酸，或者茉莉酸/乙烯等植物激素调节的抗病途径，我们克隆了拟南芥中一个未知功能蛋白- - PMR5，该基因的缺失突变造成了拟南芥对白粉病的抗性表型，而这种抗性不依赖任何已知的抗病途径。为了寻找PMR5调控的抗白粉病新途径的遗传因子，我们进行了回复突变体的筛选。遗传分析表明该途径是一个有多个基因参与的复杂途径。我们还发现许多回复突变具有多效性，包括已经克隆的一个突变体，影响植物生长发育的各个方面以及植物对非生物性胁迫抗性的变化。克隆和研究这些回复突变体，可以深入揭示植物抗白粉病的分子机制，为提供高产高抗作物提供理论依据和候选基因。

白粉霉宿主广泛，许多重要的粮食、经济作物均为其宿主，每年给农业生产造成巨大损失。植物通常激活水杨酸途径抵御白粉霉侵染，其后果往往造成生长缺陷、细胞死亡现象，导致产量下降。前期研究我们发现了不依赖于水杨酸途径的抗白粉霉的拟南芥突变体pmr5，这是一个未知功能蛋白介导的未知的抗病新途径。为寻找该途径中的关键基因，解析其抗性机理，我们进行了回复突变体筛选，获得了20个可回复pmr5抗性表型的感病突变体ps。本研究克隆了ps1, ps8，ps12三个基因。通过图位克隆及ps1突变体全基因组测序手段，我们发现在ps1突变体中一个DUF3411编码基因的突变回复了pmr5的感病表型。PS1蛋白与PST4蛋白互做，并与PMR5蛋白形成复合体，共同调控细胞周期，影响植物对白粉霉的营养供给，从而调节植物抗性。过表达PST4蛋白我们成功获得了抗白粉霉而不影响植物生长的转基因植株。对ps8与Ler杂交获得的图位克隆群体进行全基因组测序（mapping-by-sequencing），结合图位克隆，获得了造成ps8突变的一个基因ADT2。ps8突变体表现为对盐胁迫和白粉霉敏感，ADT2基因的突变同样造成这两个表型，且该基因可能是调控植物抗盐与抗病交叉对话的重要基因之一。ps12;pmr5种子吸水膨胀异常，我们对ps12突变体中MUM系列基因测序，发现MUM2基因内部有一个突变点造成蛋白的提前终止，后续互补实验证实该基因突变造成了ps12;pmr5表型。PS12与PMR5蛋白互做，可能形成蛋白复合体共同调控植物抗病。本研究不仅克隆了多个PMR5途径中的调控基因，获得了不引起生长缺陷的抗病植株，为进一步研究奠定了重要基础。