玉米NB-LRR类抗病基因Rp1-D21介导的超敏感反应的分子机理

Disease resistance is very important for crop production. Hypersensitive response is considered to be the hallmark of plant disease resistance, however, the molecular mechanism is still unclear. Rp1-D21, a mutant conferring an autoactive ‘lesion mimic’ phenotype in the absence of pathogen infection, is formed by intergenic recombination between two CC-NB-LRR proteins in Rp1-D locus. Rp1-D confers resistance against the biotrophic fungal pathogen Puccinia sorghi, the causal agent of maize common rust. We demonstrated that the Rp1-D21 lesion phenotype is genetic background- and temperature-dependent. Recently, we deployed Rp1-D21 as a tool in a novel regulator screen to identify natural HR modifiers involved in different pathways according to genome-wide association study in maize. Based on these results, we will further investigate the genes and metabolic pathways involved in Rp1-D21-induced HR via RNA-seq and metabolic analysis. According to these data, some candidate genes will be selected for further functional analyses by transient expression in N. benthamiana and maize mutant lines harboring the corresponding mutated genes. We will subsequently test the maize mutant lines by different maize diseases. This study will identify some functional genes involved in maize disease resistance and thus potentially to use these genes in agricultural production.

植物抗病性是保证作物高产、稳产的一个重要因素。超敏感反应(HR)被认为是植物抗病的一个重要标志，然而对其抗病的分子机理仍不清楚。Rp-D21是由位于抗玉米锈病基因Rp1-D位点的两个高度同源的CC-NB-LRR类基因重组产生的突变体。在没有任何病原菌诱导的情况下，含有Rp1-D21的植株能够自发产生HR的表型，并且这种表型受遗传背景和温度等条件的影响。我们最近利用Rp1-D21作为工具，通过全基因组水平的关联分析，找到了一些不同信号途径上HR的调控因子。本研究将在此基础上，从基因表达谱和代谢谱入手，进一步详细阐明调控HR的基因表达网络和代谢途径。结合这些信息，我们将筛选调控HR的候选基因。然后利用我们前期建立的本生烟草的瞬时表达系统和玉米中相关基因的突变体，对这些候选基因进行功能验证，找到调控HR的功能基因。通过对这些基因突变体的抗病鉴定，筛选出多个抗病相关基因，为玉米的抗病生产奠定基础。

玉米是我国主要粮食作物之一，在国计民生中占据重要地位。但由于病虫害日趋严重，再加上抗病品种相对缺乏，导致玉米产量和品质严重下滑。因此，挖掘新的抗病相关基因并揭示其分子机理，对作物遗传改良具有重要意义。在长期的进化中，植物形成了一套有效的免疫系统来应对逆境环境，其中 NB-LRR 类抗病蛋白发挥重要作用。玉米 Rp1-D21 是由两个 NB-LRR 类抗病蛋白通过分子内重组产生的突变体，表现出类病斑表型，能够诱导玉米产生自主免疫反应。在烟草叶片中瞬时表达 Rp1-D21 能够诱导产生超敏防卫反应（HR），并且这种 HR 表型受多种基因的调控，因此，Rp1-D21 已成为一种研究参与调控玉米抗病防卫反应基因的有效工具。本研究利用 Rp1-D21 突变体为工具，通过 RNA-seq 技术和代谢组学分析方法，系统鉴定并发现了一批玉米抗病相关基因及其影响的代谢途径，并详细研究了其中 3 个基因的功能和在抗病防卫反应方面的分子机理。本研究发现类黄酮合成途径、木质素合成途径以及蛋白酶在 Rp1-D21 介导的 HR 中发挥重要作用。首次发现类黄酮类合成途径关键酶 FNSI 可以在作物抗病中，尤其是在玉米茎腐病中发挥作用；发现木质素合成途径的关键酶 COMT 的同源蛋白可以通过与NLR 类抗病蛋白相互作用在玉米抗病防卫反应中发挥功能；发现类半胱氨酸蛋白酶 MC 可以通过与NLR类抗病蛋白互作从而改变其亚细胞定位发挥功能。我们进一步开发了针对三个基因的分子标记以期应用于玉米的分子标记辅助选择。这些研究成果的取得，将为玉米的抗病遗传改良提供基因资源和理论基础，为农业增产提供保障。

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