基本信息
- 项目名称：
- 水稻类病变突变体spl5抗白叶枯病机理的初步研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 水稻类病变突变体spl5能自发产生与植物抗病应答中超敏反应类似的坏死斑。对白叶枯病的抗谱调查显示spl5具有广谱的抗病性。对spl5叶片的化学染色、生理测定及基因表达分析，发现在spl5组织中引发HR的活性氧等物质的含量显著上升。同时，构建了spl5突变及其野生型的细胞悬浮系，通过研究其与白叶枯病菌的互作，发现spl5突变体能组成性地表达HR抗病反应，并启动了植株对病原菌的系统性防御应答。
- 详细介绍：
- 水稻类病变突变体spl5（spotted leaf 5）是由粳稻（Oryza sativa L. ssp. japonica）Norin 8经γ射线辐射诱导而成，植株从苗期开始叶片上就会自发地出现红棕色类病斑，属于典型的类病变坏死突变体。虽然Mizobuchi等也通过田间接种白叶枯病菌对spl5突变体的抗性进行了初步鉴定，结果显示spl5突变体对水稻白叶枯病菌2个日本小种存在明显的抗性，但是，对spl5突变体的抗性机理研究却未见涉及。 在研究植物与病原微生物互作机理所选择的植物实验材料平台中，植物悬浮细胞系由于其分散性好，细胞形状及细胞团大小大致相同，生长迅速，重复性好，易于控制等有利因素被广泛采用。该类突变体是一类与细胞程序性死亡相关的突变体，对这类突变体进行愈伤组织的诱导以及悬浮细胞的构建较其野生型要困难很多，所以当前虽然鉴定得到的类病变突变体较多但在细胞水平上研究其坏死机制或抗病机理的报道相对较少，且未见有水稻类病变坏死突变体spl5悬浮细胞系建立及其在细胞水平上的抗病应答报道。 本文以水稻类病变突变体spl5材料，通过水稻类病变突变体spl5田间抗性分析以及spl5突变体细胞悬浮系对水稻白叶枯病菌的应答反应，结合生理生化分析、组织学染色、分子鉴定等方法研究spl5突变体抗白叶枯病的机理。对该突变体的白叶枯病抗谱调查显示spl5突变体显著提高了对多种菲律宾生理小种的抗性，尤其对PXO145的抗性指标达到了高抗水平，对PXO280、PXO87和PXO124等3个生理小种达到抗性水平，表明spl5突变体具有广谱的抗病性。对该突变体的自身防御系统分析发现，spl5突变体在病斑形成之后有明显的胼胝质沉积、活性氧积累等现象，抗性相关基因的表达分析表明spl5突变体和野生型体内PR基因OsPR1、OsPR3和OsPR8以及茉莉酸合成途径的关键调节酶基因OsAOS均有表达，但spl5突变体内的表达量更高。RT-PCR结果说明spl5突变体内的系统获得性抗性以及茉莉酸信号传导途径在形成病斑时可能已被激活。 为进一步研究spl5突变体与病原菌互作的机制，我们构建了spl5突变体的悬浮细胞系，并对spl5突变体与白叶枯病菌的互作情况做了初步分析，发现病原菌侵染后spl5细胞内活性氧的含量与过氧化物酶、超氧化物歧化酶、多酚氧化酶等防御酶的活性都比野生型高。这些结果表明spl5突变体能组成性地表达HR抗病反应，并启动了植株对病原菌的系统性防御应答，为spl5抗病分子机制的深入研究奠定了一定的工作基础，有助于丰富植物类病变坏死这一研究领域的知识积累，为进一步在农业生产上进行水稻抗病育种和早衰调控打下坚实的理论与应用基础。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 水稻“白叶枯病”是水稻三大病害之一。目前国内外已有27个突变体存在对白叶枯病的抗性。近年来，对水稻类病变突变体的研究大多集中在突变表型的形成机理、类病变基因的分子定位及克隆等方面，而抗病机理的研究却少有涉及。本论文通过构建spl5突变体水稻-白叶枯病菌互作悬浮细胞系，研究诱导性抗性。通过生理生化分析、组织学染色以及分子鉴定来研究其组成性抗性，进而探索该突变体存在的抗白叶枯病机理。
科学性、先进性及独特之处
- 水稻类病变突变体spl5是由粳稻Norin 8经γ射线辐射诱导而成，属于典型的类病变坏死突变体。目前已有科学家对其抗性进行了初步鉴定，但抗性机理研究却未见涉及。 同时未见有spl5突变体悬浮细胞系建立及其在细胞水平上的抗病应答报道。所以在实验材料上、实验平台上（利用spl5突变体细胞悬浮系分析抗性应答机理）、研究目标上（抗性分析、组织学和细胞学特征、生理生化检测）等均体现了研究特色与创新。
应用价值和现实意义
- 通过构建spl5突变体的悬浮细胞系和良好的水稻-白叶枯病菌互作体系，结合组织学染色、生化分析以及分子鉴定等手段，对spl5突变体与白叶枯病菌的互作应答机制及突变体抗白叶枯病的机理作初步分析，为进一步分析spl5突变体抗病的分子机理打下基础，有助于更全面深入地研究以spl5为代表的水稻类病变坏死与抗病机制，为进一步在农业生产上进行水稻抗病育种和早衰调控打下坚实的理论与应用基础。
学术论文摘要
- 水稻类病变突变体spl5（spotted leaf 5）能自发产生与植物抗病应答中超敏反应（hyper sensitivity，HR）类似的坏死斑。白叶枯病抗谱调查显示spl5显著提高了对多种菲律宾生理小种的抗性，表明spl5具有广谱的抗病性。对spl5叶片的化学染色、生理测定及基因表达分析，发现在spl5组织中引发HR的活性氧（O2-和H2O2）等物质的含量显著上升，一些植物系统性抗病反应的标志基因的表达显著上调。同时，构建了spl5突变及其野生型近等基因系的细胞悬浮系，通过该细胞悬浮系与白叶枯病菌的互作研究，发现病原菌侵染后spl5细胞内活性氧的含量与过氧化物酶、超氧化物歧化酶、多酚氧化酶等防御酶的活性都比野生型高。这些结果表明spl5突变体能组成性地表达HR抗病反应，并启动了植株对病原菌的系统性防御应答，为spl5抗病分子机制的深入研究奠定了一定的工作基础。
获奖情况
- 1．2010年7月3日至6日在中国福建举行的中国植物病理学会上作了题为“水稻抗病相关基因spl5的克隆和机理研究”的报告。 2．论文“水稻类病变突变体spl5细胞坏死机制的分析”发表在浙江师范大学学报，2009年，第32卷第3期326-331页。
鉴定结果
- 1．2010年中国植物病理学会上报告 “水稻抗病相关基因spl5的克隆和机理研究”。2．论文《水稻类病变突变体spl5细胞坏死机制的分析》，浙江师范大学学报，2009年第32卷第3期326-331页。
参考文献
- [1]陈析丰, 金杨和马伯军. 水稻类病变突变体及抗病性的研究进展. 植物病理学报, 2011. 41(1):1-9. [2]Ma,Q.H.,B.ian,andY.L.Li.Overexpression of a wheat jasmonate-regulated lectin increases pathogen resistance. Biochimie, 2010. 92(2):187-93. [3]Shi, S. Q., Z. Shi, Z. P. Jiang, et al. Effects of exogenous GABA on gene expression of Caragana intermedia roots under NaCl stress: regulatory roles for H2O2 and ethylene production. Plant Cell Environ, 2010. 33(2):149-62. [4]Kojo, K., T. Yaeno, K. Kusumi, et al. Regulatory mechanisms of ROI generation are affected by rice spl mutations. Plant Cell Physiol, 2006. 47(8):1035-44. [5]Jung, Y. H., J. H. Lee, G. K. Agrawal, et al. The rice (Oryza sativa) blast lesion mimic mutant, blm, may confer resistance to blast pathogens by triggering multiple defense-associated signaling pathways. Plant Physiol Biochem, 2005. 43(4):397-406.
同类课题研究水平概述
- 植物类病变突变体（lesion mimic mutant）是指一类在没有逆境、损伤或病害情况下就能自发形成类似病原物侵染的坏死斑（lesion）的突变体。第一个植物类病变突变体是从玉米中被发现的，近年来在拟南芥、大麦、水稻和大豆等其它植物中也发现了大量这类突变体。近年来发现类病变坏死的表型与植物防卫过程中的过敏反应（hypersensitive response，HR）非常相似，而且许多类病变突变体对某些植物病原体也表现出一定的抗性。HR是植物受非亲和性病原菌感染后，侵染部位细胞迅速死亡，从而限制病原菌增殖的一种植物的特异性防卫反应，属于一类细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）。因此，类病变突变体就成为了研究植物抗病性机制和PCD途径的理想材料，受到了诸多学者的广泛关注。 水稻既是单子叶模式植物，又是世界上最重要的粮食作物之一。到目前为止，国内外已有52个水稻类病变突变体被正式命名，在52个水稻类病变中，9个为显性遗传，43个为隐性遗传，6个基因spl7、spl11、spl18、attm1 、Oslsd1和OsNPR1 已经被克隆，它们各自编码不同功能的蛋白，参与不同的代谢途径，表明了导致植物细胞坏死的途径非常复杂和多样。 目前研究表明尽管不是所有的类病变基因都是植物防卫信号途径中所必须的，但是许多类病变突变体表现出了广谱抗病性。水稻类病变突变体也同样存在普遍抗病的现象，经抗病性鉴定的41个突变体中，38个对水稻病原菌增强了抗性，其中27个抗白叶枯病（Xanthomonas campestris pv. oryzae）。水稻类病变突变体spl5（spotted leaf 5）是由粳稻（Oryza sativa L. ssp. japonica）Norin 8经γ射线辐射诱导而成，植株从苗期开始叶片上就会自发地出现红棕色类病斑，属于典型的类病变坏死突变体。Mizobuchi等通过田间接种白叶枯病菌对spl5突变体的抗性进行了初步鉴定，结果显示spl5突变体对水稻白叶枯病菌2个日本小种存在明显的抗性，但是，对spl5突变体的抗性机理研究却未见涉及。
