【摘要】：白葉枯病和細菌性條斑病是造成水稻產(chǎn)量損失嚴(yán)重的細菌性病害,水稻生產(chǎn)中對這兩種病害的防治主要利用主效抗白葉枯病基因和主效抗細菌性條斑病數(shù)量性狀位點(quantitative trait loci,QTL)。探討水稻抗白葉枯病和細菌性條斑病的機制,有助于防控這兩種病害,為水稻抗病育種提供理論依據(jù)。目前已經(jīng)在水稻中鑒定并克隆了多個抗白葉枯病的主效基因,而且探討了其抗病的分子機理,但是人們對這些主效基因抗病的細胞學(xué)機制卻知之甚少。本研究主要利用透射電子顯微鏡,分析顯性主效基因Xa1、Xa4、Xa21和隱性主效基因xa5、xa13抗病時的細胞超微結(jié)構(gòu)變化。不同于感病的水稻葉片褪綠型葉片壞死,含有這些主效基因的抗病植株葉片在接種位點處呈現(xiàn)褐色壞死斑樣的超敏反應(yīng)細胞程序性死亡(hypersensitive response-programmed cell death,HR-PCD)。然而,顯性主效基因Xa1、Xa4、Xa21介導(dǎo)的HR-PCD大部分為雙層膜的膜泡和單層膜的膜泡結(jié)構(gòu)等類自噬體結(jié)構(gòu)為特征的細胞自噬;隱性主效基因xa5、xa13介導(dǎo)的HR-PCD大多數(shù)為液泡膜破裂為特征的破壞性液泡介導(dǎo)的細胞死亡;感病反應(yīng)的細胞死亡為質(zhì)壁分離和細胞膜破裂為特點的細胞壞死。細胞自噬抑制劑和堿性溶液能夠分別部分地削弱Xa1、Xa4、Xa21和xa5、xa13介導(dǎo)的抗病反應(yīng)。細胞自噬和破壞性液泡介導(dǎo)的細胞死亡分別都是Xa1、Xa4、Xa21和xa5、xa13抗病的細胞學(xué)基礎(chǔ),作為基礎(chǔ)水平上的抗性參與主效基因介導(dǎo)的抗病反應(yīng)。細胞自噬可能起著維持細胞的完整和活力為植株抗病提供細胞支撐,破壞性液泡介導(dǎo)的細胞死亡可能通過為細胞提供酸性環(huán)境抑制細菌生長或釋放防御蛋白參與抗病。在我國水稻生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用的抗白葉枯病主效基因Xa3/Xa26,同Xa1、Xa4、Xa21主效基因一樣,介導(dǎo)維管束細胞發(fā)生細胞自噬。本研究利用基因表達分析技術(shù)和超微細胞化學(xué)的方法,深入分析了在Xa3/Xa26介導(dǎo)的抗病反應(yīng)中細胞自噬與細胞死亡信號分子過氧化氫和鈣離子之間的關(guān)系。與感病反應(yīng)相比,Xa3/Xa26介導(dǎo)的抗病反應(yīng)中,OsATG5,OsATG6a,OsATG7和OsATG8c等自噬相關(guān)基因(autophagy-related gene,ATG)被誘導(dǎo)上調(diào)表達,木質(zhì)部薄壁細胞出現(xiàn)雙層膜的膜泡和單層膜的膜泡等類自噬體結(jié)構(gòu),葉片中的過氧化氫含量降低特別是木質(zhì)部薄壁細胞的細胞膜上的過氧化氫減少,鈣離子在液泡中積累。細胞自噬抑制劑通過抑制類自噬體的生成部分地削弱Xa3/Xa26介導(dǎo)的抗病反應(yīng),同時增加接種位點處過氧化氫的含量,阻止鈣離子從細胞外向液泡中的運輸。這些說明,Xa3/Xa26誘導(dǎo)的細胞自噬通過清除過量的過氧化氫脅迫并激活鈣離子信號參與水稻抗白葉枯病。xa5既是抗白葉枯病菌的主效基因,也是抗細菌性條斑病效應(yīng)最強的主效QTL qBlsr5a中貢獻最大的基因。與感病反應(yīng)相比,xa5介導(dǎo)的抗細菌性條斑病反應(yīng)中,與細菌直接互作的葉肉細胞細胞壁呈現(xiàn)以下特點:表面結(jié)構(gòu)較完整且致密、纖維素微纖絲交錯排列、細胞間的連接完整;生成細胞壁主效成分纖維素的水稻纖維素合成酶(cellulose synthase,CESA4/7/9)基因被顯著誘導(dǎo)上調(diào)表達。xa5介導(dǎo)的抗病植株中,接種位點處細菌性條斑病病菌的數(shù)量不變而是接種位點旁邊的擴散病斑中的細菌數(shù)量減少。這些說明xa5介導(dǎo)的抗細菌性條斑病反應(yīng)中,完整的細胞壁結(jié)構(gòu)限制了細菌在葉片細胞間的擴散。然而,xa5介導(dǎo)的抗白葉枯病反應(yīng)中,纖維素合成酶基因不被顯著地誘導(dǎo)上調(diào)表達,同時白葉枯病菌對細胞壁結(jié)構(gòu)的破壞能力明顯弱于細菌性條斑病病菌。細胞壁結(jié)構(gòu)不完整和厚度減小,均能削弱水稻對細菌性條斑病的抗性。這些進一步說明,細胞壁在水稻抗細菌性條斑病中起著重要作用,而在xa5介導(dǎo)的抗白葉枯病反應(yīng)中的作用不大。與感病反應(yīng)相比,xa5介導(dǎo)的抗細菌性條斑病反應(yīng)中,茉莉酸及其前體物12-氧-植物二烯酸(12-oxo-phytodienoic acid,OPDA)含量升高,葉片中葉綠體的淀粉粒含量減少。這些暗示了,茉莉酸和用于生成淀粉的糖類分子可能通過調(diào)節(jié)細胞壁的合成,來參與xa5介導(dǎo)的抗細菌性條斑病反應(yīng)。本研究還建立了定位抗病主效基因編碼蛋白質(zhì)的免疫金標(biāo)技術(shù),發(fā)現(xiàn)了XA4蛋白定位于細胞壁上;還利用纖維素?zé)晒馊旧夹g(shù)較好地分析了Xa4對纖維素含量和莖稈細胞長度的影響。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S435.11
【圖文】：

植物免疫系統(tǒng)的拉鏈模型(JonesandDangl2006)

需要通過防御反應(yīng)基因（defense-responsive genes, DR）來實現(xiàn)最終的抗病，而且兩種抗病反應(yīng)中的 DR 基因還存在互作，因此模體誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)和效應(yīng)子誘導(dǎo)的免疫反應(yīng)不能嚴(yán)格區(qū)分開（圖 2）（Kou and Wang 2010; Thomma et al 2011; Zhang andWang 2013）。

抗病材料的病斑長度顯著小于感病材料的病斑長度（圖4B）。因此，我們將分析以上材料與白葉枯病菌互作后第 3 天、第 5 天和第 14 天的接種位點處維管束薄壁細胞的超微結(jié)構(gòu)，探討細胞死亡類型。圖 4 抗病材料和感病材料接種位點的表型Fig. 4 Phenotypes of different rice line Xoo train interactions(A)抗病材料 IRBB1，IRBB4，IRBB5，IRBB13，IRBB21 和感病材料 IR24 分別接白葉枯病菌菌株 T7174，PXO61及 PXO99

【參考文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 沈祥陵;絲裂原活化蛋白激酶類基因在水稻抗病反應(yīng)中的功能機理研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2010年

本文編號：2778893