两个LRR类受体蛋白激酶在调控虫害诱导水稻防御反应中的作用与机理

Herbiovre-induced plant defense responses start from the recognition of the plant to the herbivore-associated molecular patterns (HAMPs), followed by activation of multiple signaling pathways. However, little is known about how plants perceive HAMPs and then activate the signaling pathways. In this project, we will screen homozygous transgenic lines with silencing or overexpression of one of two leucine-rice-repeats (LRR) receptor-like kinase (RLK) genes, which has been cloned and identified previously, by using an Agrobacterium-based transformation system. The defense-related MAPK activity, signal signature, chemical and transcriptional profiling, as well as herbivore resistance of the homozygous transgenic lines will be analyzed by combining molecular biology, chemical analysis and bioassay. Moreover, the transcript levels of the two LRR-RLK genes in mutants with impaired MAPK, JA, SA or ethylene pathways will be detected. We will also investigate the subcelluar location, interacting proteins and expression patterns of the two LRR-RLK genes, and the function of some interacting proteins will be elucidtaed by combining reverse genetics, chemical analysis and bioassay. This comprehensive analysis will provide new insights into the role of the two LRR-RLKs in the herbivore-induced rice defense responses and will provide resistance genes for crop breeding.

选择已有很好工作基础的两个候选LRR类受体蛋白激酶基因作为研究对象，利用定量PCR和荧光显微技术，分析候选受体基因诱导表达特征，并对其编码蛋白进行细胞定位；利用反向遗传学方法获得抑制或过量表达上述某一受体基因的水稻品系，并筛选其纯合品系；利用基因组学、化学分析与生物测定等研究方法，检测上述各纯合品系的抗虫性及其在虫害胁迫下防御相关MAPK活性、信号分子含量、相关基因表达水平以及防御化合物浓度等的变化，同时检测MAPK及JA、SA、乙烯等信号途径相关突变体中两个类受体蛋白基因的转录水平；利用酵母双杂交等技术，分离与鉴定两个受体蛋白的互作因子，并利用反向遗传学等方法对相关互作因子进行功能研究；从而全面剖析两个类受体蛋白激酶在调控水稻诱导抗虫反应中的作用与机理。加深对植物诱导抗虫反应分子机理的认识，并为植物抗虫品种的培育提供重要的基因资源与理论指导。

本项目以两个LRR类受体蛋白激酶基因OsHI-PSRK和OsHI-RLK2为研究对象，系统研究了两个激酶在水稻诱导抗虫反应中的作用与机理。OsHI-PSRK和OsHI-RLK2均具有类受体蛋白激酶家族典型特征，并定位于细胞质膜。机械损伤、二化螟（striped stem borer, SSB）取食以及茉莉酸（jasmonic acid, JA）处理能诱导OsHI-PSRK的表达；而褐飞虱（brown planthopper, BPH）为害和水杨酸（salicylic acid, SA）处理不影响该基因的表达。沉默OsHI-PSRK降低SSB为害诱导的3个MAPK基因OsMEK4、OsMPK3、OsMPK6和2个WRKY转录因子OsWRKY53、OsWRKY70的转录水平以及OsMPK3和OsMPK6的蛋白活性。同时，沉默OsHI-PSRK降低二化螟诱导的JA、ET、抗虫化合物胰蛋白酶抑制剂含量以及水稻对SSB的抗性。与此相反，沉默OsHI-PSRK能显著提高BPH诱导的OsMEK4、OsMPK3和OsMPK6以及OsWRKY70、OsWRKY53和OsWRKY24的转录水平，并增加水稻中BPH诱导的JA、JA-Ile、SA、ET和H2O2的含量。室内与田间试验表明，沉默OsHI-PSRK能够显著增强水稻对BPH与白背飞虱的抗性。机械损伤能迅速而强烈地诱导OsHI-RLK2转录水平的上升，SSB取食、BPH雌成虫产卵为害以及JA处理能在后期诱导OsHI-RLK2的表达，而BPH若虫为害和SA处理不影响该基因的转录水平。沉默OsHI-RLK2降低SSB为害诱导的OsMPK3与OsMPK6活性、3个WRKY转录因子转录水平以及SSB诱导的JA和ET含量，并导致水稻绿叶性气味以及防御化合物胰蛋白酶抑制剂含量减少，水稻对SSB的抗性下降。与此类似，沉默OsHI-RLK2降低BPH为害诱导的OsMPK6和OsWRKY30转录水平以及JA和ET含量；但却提高BPH诱导的SA和H2O2以及水稻挥发物芳樟醇、水杨酸甲酯等的含量。室内与田间生测结果表明，沉默OsHI-RLK2提高水稻对BPH与白背飞虱的抗性。这些研究结果表明，OsHI-PSRK和OsHI-RLK2是水稻诱导防御反应中的两个早期调节元件，作用于MPK以及防御相关信号转导途径的上游，并可能发挥着识别虫害信息的受体功能，这