OsATG7参与水稻自吞噬及病虫防卫反应机制研究

Autophagy, a high-throughput approach for degrading biological proteins and organelles, which plays an important role in development and innate defense response of living organisms. The research of autophagy in yeast and animal is frontier, but it needs a further systematic study in plant, especially in rice. The ubiquitin activating enzyme like protein ATG7 was proved having an important role in two ubiquitination like pathways (ATG8 and ATG12) in yeast and some animals. At present, the function of OsATG7, a rice homologue of ATG7, its role in rice autophagy pathway or rice disease and pest resistance has not been excavated. The applicant has obtained the rice mutant atg7, preliminary results showed that the genetic mutation in OsATG7 resulted in infertility, premature senescence, and reduced resistance to Brown Planthopper in rice; And we also initiated OsATG7 overexpression / RNAi transgenic lines in our previous studies. In this study, we will investigate 1) the biological function of OsATG7 involving in rice autophagy pathway; 2) the function of OsATG7 in rice disease and insect resistance; 3) ubiquitin activating enzyme like activity of OsATG7 and the proteins interacted with OsATG7, which would provide theoretical basis for the functional research of OsATG7 in rice autopahgy and defense responses against disease and pest.

自吞噬（Autophagy ATG）是生物体细胞内物质高通量降解的重要途径，在生物体生长发育、防卫反应中发挥重要作用。目前，自吞噬途径在酵母和动物中研究较清楚，在植物中尤其在水稻中的研究有待深入。已知类泛素激活酶蛋白ATG7分别参与ATG8及ATG12介导的类泛素化修饰途径，但目前尚不知道其水稻中OsATG7蛋白是否参与水稻自吞噬途径和病虫抗性调控。前期研究中，申请人获得了OsATG7基因的T-DNA插入突变体atg7，发现OsATG7基因的突变造成了水稻不育、早衰、对褐飞虱抗性下降等形态、生理及抗性变化，并获得了OsATG7超表达和RNA沉默转基因株系。在此基础上，本项目拟研究1）OsATG7在水稻自噬过程中的生物学功能；2）OsATG7抗水稻稻瘟病菌和褐飞虱的功能；3）OsATG7蛋白的类泛素激活酶活性及其互作蛋白，为OsATG7参与水稻自吞噬及病虫防卫反应提供理论依据。

自噬是细胞内物质高通量降解的重要途径，在细胞稳态维持、生物体生长发育及抗逆性调控过程中发挥重要作用。水稻中还未鉴定出直接参与自噬途径的相关基因。ATG7是自噬过程中激活标签蛋白ATG8和ATG12的类泛素E1酶，对于细胞自噬的正常发生至关重要。本项目首次在水稻中克隆了OsATG7基因，获得了OsATG7基因的突变体atg7，并通过超表达、RNAi技术创制了OsATG7的一系列转基因水稻材料。atg7纯合突变体植株株高变矮，不育，且OsATG7的互补表达能够恢复纯合突变体的这些发育表型。对atg7突变体及相关转基因材料进行了抗病性鉴定、抗虫性鉴定、黑暗胁迫及低氮胁迫实验。结果表明，OsATG7基因负调控水稻的抗病性，正调控水稻的抗虫性。OsATG7基因的突变导致水稻抗病性增强，抗虫性减弱，其超表达导致水稻抗病性减弱。相较于野生型及杂合突变体，atg7纯合突变体的抗性防卫基因对稻瘟菌处理具有更强的响应表达。OsATG7基因的突变导致水稻在黑暗及低氮胁迫条件下加速衰老。项目研究结果还表明，OsATG7的突变导致水稻体内茉莉酸JA含量显著下降，水杨酸SA、生长素IAA和脱落酸ABA含量少量上升，JA信号转导途径多个基因表达量发生改变，这说明OsATG7可能通过影响水稻体内激素平衡来调控水稻的病虫抗性。OsATG7的突变还导致GA合成途径多个关键基因的转录表达水平显著下降，喷施GA可以恢复atg7纯合突变体株高表型，说明OsATG7通过影响水稻GA的合成来调控水稻株高发育。黑暗胁迫实验表明，OsATG7基因的突变导致水稻自噬途径缺陷，不能形成自噬小体，说明OsATG7直接参与水稻自噬途径。本项目首次在水稻中研究了OsATG7基因的功能，并对其抗逆调控机理及其是否参与水稻自噬途径进行了探索，为水稻自噬及抗逆研究提供新思路。