【摘要】：白葉枯病和細(xì)菌性條斑病是造成水稻產(chǎn)量損失嚴(yán)重的細(xì)菌性病害,水稻生產(chǎn)中對(duì)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(xì)菌性條斑病數(shù)量性狀位點(diǎn)(quantitative trait loci,QTL)。探討水稻抗白葉枯病和細(xì)菌性條斑病的機(jī)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(gè)抗白葉枯病的主效基因,而且探討了其抗病的分子機(jī)理,但是人們對(duì)這些主效基因抗病的細(xì)胞學(xué)機(jī)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(shí)的細(xì)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(diǎn)處呈現(xiàn)褐色壞死斑樣的超敏反應(yīng)細(xì)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(xì)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(xì)胞死亡;感病反應(yīng)的細(xì)胞死亡為質(zhì)壁分離和細(xì)胞膜破裂為特點(diǎn)的細(xì)胞壞死。細(xì)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(xì)胞自噬和破壞性液泡介導(dǎo)的細(xì)胞死亡分別都是Xa1、Xa4、Xa21和xa5、xa13抗病的細(xì)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(xì)胞自噬可能起著維持細(xì)胞的完整和活力為植株抗病提供細(xì)胞支撐,破壞性液泡介導(dǎo)的細(xì)胞死亡可能通過(guò)為細(xì)胞提供酸性環(huán)境抑制細(xì)菌生長(zhǎng)或釋放防御蛋白參與抗病。在我國(guó)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(xì)胞發(fā)生細(xì)胞自噬。本研究利用基因表達(dá)分析技術(shù)和超微細(xì)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(xì)胞自噬與細(xì)胞死亡信號(hào)分子過(guò)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(dá),木質(zhì)部薄壁細(xì)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(guò)氧化氫含量降低特別是木質(zhì)部薄壁細(xì)胞的細(xì)胞膜上的過(guò)氧化氫減少,鈣離子在液泡中積累。細(xì)胞自噬抑制劑通過(guò)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(shí)增加接種位點(diǎn)處過(guò)氧化氫的含量,阻止鈣離子從細(xì)胞外向液泡中的運(yùn)輸。這些說(shuō)明,Xa3/Xa26誘導(dǎo)的細(xì)胞自噬通過(guò)清除過(guò)量的過(guò)氧化氫脅迫并激活鈣離子信號(hào)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(xì)菌性條斑病效應(yīng)最強(qiáng)的主效QTL qBlsr5a中貢獻(xiàn)最大的基因。與感病反應(yīng)相比,xa5介導(dǎo)的抗細(xì)菌性條斑病反應(yīng)中,與細(xì)菌直接互作的葉肉細(xì)胞細(xì)胞壁呈現(xiàn)以下特點(diǎn):表面結(jié)構(gòu)較完整且致密、纖維素微纖絲交錯(cuò)排列、細(xì)胞間的連接完整;生成細(xì)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(dá)。xa5介導(dǎo)的抗病植株中,接種位點(diǎn)處細(xì)菌性條斑病病菌的數(shù)量不變而是接種位點(diǎn)旁邊的擴(kuò)散病斑中的細(xì)菌數(shù)量減少。這些說(shuō)明xa5介導(dǎo)的抗細(xì)菌性條斑病反應(yīng)中,完整的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)限制了細(xì)菌在葉片細(xì)胞間的擴(kuò)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(dá),同時(shí)白葉枯病菌對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)的破壞能力明顯弱于細(xì)菌性條斑病病菌。細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)不完整和厚度減小,均能削弱水稻對(duì)細(xì)菌性條斑病的抗性。這些進(jìn)一步說(shuō)明,細(xì)胞壁在水稻抗細(xì)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(xì)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(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞壁的合成,來(lái)參與xa5介導(dǎo)的抗細(xì)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(xì)胞壁上;還利用纖維素?zé)晒馊旧夹g(shù)較好地分析了Xa4對(duì)纖維素含量和莖稈細(xì)胞長(zhǎng)度的影響。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：S435.11
【圖文】：

植物免疫系統(tǒng)的拉鏈模型(JonesandDangl2006)

需要通過(guò)防御反應(yīng)基因（defense-responsive genes, DR）來(lái)實(shí)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(kāi)（圖 2）（Kou and Wang 2010; Thomma et al 2011; Zhang andWang 2013）。

抗病材料的病斑長(zhǎng)度顯著小于感病材料的病斑長(zhǎng)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(diǎn)處維管束薄壁細(xì)胞的超微結(jié)構(gòu)，探討細(xì)胞死亡類型。圖 4 抗病材料和感病材料接種位點(diǎn)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(xiàn)】

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(jī)理研究[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2778893