植物非插入/缺失型抗病基因的适应性代价研究

Resistance genes protect plants against a wide spectrum of diseases; however, it can also entail costs due to the allocation of resources or toxicity of defensive products. The hypothesis of "fitness cost of resistant genes" has been proven in the "insertion/deletion" resistant genes. Based on the fact of the majority of plant disease resistance genes are "non-insertion/deletion" type, whether fitness cost exist in this type of resistant genes is considered to be the most representative for general. All of the current technologies are not suitable to prove this issue. So this proposal plans to select different donors of resistant gene Rps2 in Arabidopsis thaliana according to different disease symptoms, through site-specific recombination system, the isogenic lines of the same genetic background containing series of allelic genes in the same insertion site on chromosome would be constructed; by recoding and statistical analysis of fitness related traits between each pair of isogenic lines, we try to prove that the fitness cost would be detected in non-insertion/deletion resistant genes and unravel the variation in different isogenic lines. Meanwhile, the choice of rice blast resistant gene Pita for parallel experiments would pave the way to know effect of the type of plant on fitness cost.

抗病基因使植物从抗病性中获利，然而"抗病基因的适应性代价"假说提出了在无相应病原体时，抗病基因植株与对应的感病植株比需要消耗额外的能量与物质或产生负调节作用，导致植物适应性降低。这个假说已在"插入/缺失型"抗病基因中得到证明，但植物大多数抗病基因是"非插入/缺失型"，其是否也存在适应性代价是个重要的科学问题，目前已有的研究没有合理的思路和技术，因而没有得到证明。本项目选择拟南芥抗病基因Rps2不同程度的抗、感病生态型，利用基因定点整合技术构建遗传背景完全一致、不同个体在DNA同一位点含不同的单拷贝抗病的等位基因系，并通过统计这些基因系植株在无病原体环境中的一系列生物量指标，用实验证明"非插入/缺失型"抗病基因是否存在适应性代价及在不同程度感抗病群体中的变化规律。同时，选择水稻的抗稻瘟病Pita基因作平行实验，以检验"非插入/缺失型"抗病基因的适应性代价是否受植物种类、抗病基因种类的影响。

抗病基因使植物从抗病性中获利，而“抗病基因的适应性代价”假说提出了在无相应病原体时，抗病植株与感病植株相比需要消耗额外的能量与物质或产生负调节作用，导致植物适应性降低。这一假说已在“插入/缺失型”抗病基因中得到证明，但植物大多数抗病基因是“非插入/缺失型”，其是否也存在适应性代价尚无证明。本研究利用创新的定点整合技术，构建了非插入/缺失型抗病基因Rps2的拟南芥的6个等位基因系，来比较抗感病位点间的适应性代价。研究结果表明，在无Avr-Rpt2病原菌存在的情况下，携带有抗病位点的植物株系并不比携带感病位点的植物株系适应性如种子产量等指标低，说明基因结构与适应性代价间存在着关联，且基因在抗病途径中所发挥的不同作用也会影响适应性代价的相对数值，从而揭示了抗病基因差异产生及保存新的遗传机制，完善了抗病基因适应性代价的完整理论。研究成果发表于Nature Plants。抗病基因在不同程度的抗感病植物生态型/品种中序列不同，那么，这些不完全配对的序列在减数分裂过程中是否存在特殊遗传行为呢？本研究以抗病基因为例，通过人工建造需经自身重组才能表达的报告基因的纯合和杂合群体，直接测定了报告基因在对称纯合体和非对称杂合体中的重组率大小，结果表明，在减数分裂过程中，杂合体重组率至少为纯合体重组率的6.49倍，证实了不匹配序列在减数分裂中存在遗传重组，且这种不匹配结构促进了同源序列间的遗传重组交流。这种不匹配结构促进遗传重组的机制为基因组变异与演化甚至物种的形成提供了可能的解释，同时研究对匹配结构与不匹配结构在基因组演化中所扮演的角色提出“刹车与加速器”的理论模型。研究成果发表于Molecular Biology & Evolution。