水稻抗白叶枯病新基因TOPBP1C的克隆与分子机理

Rice bacterial blight is an important disease affecting rice production and an important model system for studying plant-microbe interaction. In previous work, 601 candidate genes for rice resistance to bacterial blight were screened by genome-wide association study of 1565 rice germplasm resources inoculated with GIV, a representative strain of bacterial blight in China. At the same time, the whole genome of GIV was sequenced by single-molecule sequencing technology, 15 genes coding TAL effector proteins were detected through homologous analysis in the GIV genome, and 246 target genes of the TAL effector proteins were predicted in the Nipponbare genome via the TALVEZ.3.2 software. The candidate gene OsTOPBP1C for rice bacterial blight resistance was obtained by integrating the results of TAL effector target prediction and genome-wide association study (TAG). OsTOPBP1C-Cpf1 transgenic mutants were obtained by CRISPR/Cpf1 technology, and their disease resistance was weakened. Resistance analysis showed that the OsTOPBP1C gene dominantly and positively regulated rice resistance with a dosage effect. This project will further clarify the disease resistance function and molecular mechanism of OsTOPBP1C, which will provide new knowledge for further understanding the immune mechanism of rice and new genes for rice disease resistance breeding.

水稻白叶枯病是影响水稻生产的重要病害，也是研究植物-微生物互相作用的重要模式系统。前期工作中通过对1565份水稻种质资源接种我国白叶枯菌代表菌株GIV的表型进行全基因组关联分析，筛选到601个水稻抗白叶枯病候选基因；同时，利用单分子测序技术完成GIV的全基因组测序，通过同源性分析检测到15个TAL效应蛋白编码基因，运用TALVEZ.3.2软件在日本晴基因组中预测到TAL效应蛋白的246个靶基因。通过整合TAL效应蛋白靶基因预测和全基因组关联分析（简称TAG）的结果，获得水稻抗白叶枯病候选基因OsTOPBP1C。采用CRISPR/Cpf1技术获得转基因突变植株OsTOPBP1C-Cpf1，其抗病性减弱。抗性分析表明该基因显性正调控水稻白叶枯抗病性，且存在剂量效应。本项目将进一步明确OsTOPBP1C的抗病功能及其分子机理，这为深入了解水稻免疫机制提供新知识，也为水稻抗病育种提供新基因。

白叶枯病是严重影响水稻产量的细菌性病害之一，也是研究植物-微生物互作的重要模式系统。随着抗白叶枯病水稻品种的推广及白叶枯病菌的协同进化，抗性丧失一直是限制水稻生产的重要因素。水稻白叶枯病抗性新基因的鉴定对研究水稻免疫机制、水稻与白叶枯病菌协同进化机理和培育抗病水稻新品种具有重要的指导意义和应用价值。.全基因组关联研究(Genome wide association studies, GWAS)和转录激活类因子效应蛋白(Transcription activator-like effector, TALE)靶基因预测是当前挖掘水稻白叶枯病抗性基因的有效手段，但均存在准确性差、抗感基因无法区分等局限。因此，本研究建立iTALE靶基因预测介导的抑制表达和基于GWAS的单倍型分析(iTALE targets prediction mediated repressive expression and haplotype analysis based on GWAS, TAG)方法用于快速、准确地发掘水稻白叶枯病抗性基因，并成功鉴定到一个新的水稻白叶枯病抗性基因LOC_Os03g19190，并对其生物学功能及调控水稻白叶枯病抗性的分子机制进行了初步研究。主要结果如下：.1. 高通量基因组测序检测到IV基因组中存在2个iTALE类编码基因，并通过实验证实TALE1是一个iTALE类效应蛋白；.2. 遗传学相关材料抗病评价实验，发现OsTOPBP1C基因正调控水稻对白叶枯病菌IV的抗性，并可能依赖于其转录水平；.3. 酵母双杂交(Yeast two-hybrid, Y2H)、双分子荧光互补(Bimolecular fluorescent complimentary, BiFC)等实验，表明OsSOG1、OsMYC2和Os2H16可能与OsTOPBP1C存在互作。此外，酵母单杂交(Yeast one-hybrid, Y1H)和OsSOG1过表达材料的抗病评价实验，表明OsSOG1可能负调控OsTOPBP1C基因介导的白叶枯抗病途径；.4. 白叶枯病菌处理和产量相关农艺性状调查数据的综合分析，发现OsTOPBP1C基因可能正调控水稻的免疫和产量。.综上所述，本研究初步揭示了OsTOPBP1C基因的生物学功能及其介导白叶枯病抗性的分子机制，为其在农业生产上的应用提供新的基因资源。