朱旭东著作 储成才、朱旭东水稻研究合作新成果

    生物通报道  近日来自中国科学院遗传与发育生物学研究所和中国水稻所的研究人员通过对不同水稻突变体库进行大规模筛选,获得两个不完全显性、叶鞘特异性自主坏死的突变体nls1-1D和nls1-2D。相关研究成果在线发表在3月21日的国际杂志《Plant Journal》。该研究得到了科技部和国家自然科学基金委资助。

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    领导这一研究的是中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室的储成才教授和中国水稻所水稻生物学国家重点实验室的朱旭东研究员。前者1999年入选中国科学院“百人计划”,2008年获得国家杰出青年基金。

目前主要的研究方向是植物基因表达的精细调控、农作物产量和抗逆境胁迫相关基因的克隆及农作物的分子设计等研究。朱旭东研究员早年毕业于浙江农业大学(现改为浙江大学),现为水稻生物学国家重点实验室二系杂交稻责任专家,中国遗传学会、生理学会和浙江省种子协会会员。主要研究方向为杂交稻育种及相关种质资源/有利基因的遗传分析与利用。

    水稻是全球近半数人口最主要的粮食作物,而其产量经受着大量病原微生物或昆虫的严重威胁,利用植物抗病基因(R基因)培育抗性品种一直被认为是最经济有效的应对措施,迄今在水稻中已经成功克隆了20个R基因,所有这些R基因都是通过品种间的抗性差异筛选鉴定的,但有关这些R基因介导的水稻抗病防御反应的分子机制仍然知之甚少。

    中国科学院遗传与发育生物学研究所植物基因组学国家重点实验室储成才课题组和中国水稻所水稻生物学国家重点实验室朱旭东课题组合作,通过对不同水稻突变体库进行大规模筛选,获得两个不完全显性、叶鞘特异性自主坏死的突变体nls1-1D和nls1-2D。

这种自主性坏死斑主要以发育依赖方式出现在叶鞘上,类似于植物抗病防御反应过程中出现的超敏反应(hypersensitive response)。

    通过图位克隆方法,储成才课题组的唐九友博士鉴定到相应的基因NLS1,该基因编码典型的CC-NB-LRR类R蛋白。转基因互补和RNA干扰实验进一步确认,NLS1的功能获得性突变导致了突变体特定组织细胞的自主性死亡。

与突变体坏死斑形成的模式相一致,NLS1基因在叶鞘上表达最高,且这种表达同样具有发育依赖性。另一方面,在没有出现坏死斑的其他组织同样检测到NLS1相对低水平的表达,表明NLS1可能在特定组织激活特定的抗病防御信号途径从而导致细胞死亡。

    nls1-1D和nls1-2D的突变均是CC-NB-LRR类R蛋白NLS1的NB结构域上单个氨基酸的替换。随着NLS1这一R蛋白的序列改变,nls1突变体内积累了高水平的水杨酸(SA, salicylic acid),组成性诱导了抗病基因的表达,同时提高了对水稻白叶枯病菌(Xoo)的抗性。

与此同时,尽管nls1-1D突变体上坏死斑的表型与其体内NLS1转录本的大量积累有着一定的相关性,但是过表达野生型NLS1基因并不能诱导自主性坏死斑的形成和抗病相关基因PR1b的表达,且没有改变对Xoo病原菌的抗性,表明突变体的表型并非简单的由NLS1的过量表达所引起。

因此,nls1-1D和nls1-2D的突变所引起的单个氨基酸替换导致了NLS1蛋白自主性的激活。

    为了探讨nls1-1D植株中SA的高水平积累是否是下游抗病防御途径激活的必需步骤,唐九友博士等通过在野生型和nls1-1D突变体中表达SA水解酶基因NahG,从而获得相应的SA缺失的转基因植株,有趣的是,对这些转基因植株的分析表明,NLS1介导的抗病防御反应并未受到SA的含量和NPR1表达下调的影响。

从而表明,NLS1可不依赖于SA和NPR1信号传递途经激活下游抗病防御反应,这一发现揭示了水稻R基因介导的抗病防御反应的新机制。