水稻蔗糖轉(zhuǎn)化酶GIF1調(diào)控抗病性的機(jī)制研究.pdf

1、蔗糖作為植物重要的能源和信號分子，其在組織中的利用需要先裂解形成已糖。這一過程受到蔗糖合酶(Sucrose synthase，SuSy)和蔗糖轉(zhuǎn)化酶(Invertase，Inv)的調(diào)控。與蔗糖合酶可逆催化蔗糖(Sucrose，Suc)裂解形成尿苷二磷酸葡萄糖(Glucose，Glu)和果糖(Frutcose，F(xiàn)ru)不同，蔗糖轉(zhuǎn)化酶不可逆的催化蔗糖裂解形成葡萄糖和果糖，這在植物器官建成、糖分運(yùn)輸、韌皮部卸載及調(diào)節(jié)“庫”(sink)組織糖

2、分構(gòu)成中發(fā)揮重要作用。細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶(cell-wall invertase，cw-Inv)在植物生長發(fā)育和抵抗各種脅迫中有很重的作用，已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)證明蔗糖轉(zhuǎn)化酶可以受生物和非生物脅迫的誘導(dǎo)，進(jìn)而激發(fā)植物的防衛(wèi)反應(yīng)。在本研究中我們驗(yàn)證了水稻細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶GIF1/OsCIN2可以被真菌和細(xì)菌病原菌誘導(dǎo)，同時轉(zhuǎn)基因植株增加了對水稻白葉枯病菌（Xanthomonas oryzae pv oryzae，Xoo）和稻瘟病菌（Magnapo

3、rthe oryzae，M.oryzae）的抗性。
　　 當(dāng)植物受到病原菌侵染后，細(xì)胞壁是病原菌侵染的第一個物理障礙，植物體也是通過自身對細(xì)胞完整性的檢測很快地激發(fā)防衛(wèi)反應(yīng)來減少病原菌的侵染及病斑的擴(kuò)展。在研究中發(fā)現(xiàn)gif1(grain incomplete filling)突變體容易感染倉儲病害（Rhizopus sp.; Alternaria sp.），同時基因芯片和RT-PCR分析發(fā)現(xiàn)有關(guān)細(xì)胞壁合成的一些基因在突變體中受到

4、調(diào)節(jié)。此外，在細(xì)胞學(xué)觀察中也發(fā)現(xiàn)，與野生型相比，突變體穎殼細(xì)胞壁明顯變薄，這很可能是對倉儲病害敏感的原因之一。在此基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建了GIF1/OsCIN2基因的轉(zhuǎn)基因植株，當(dāng)植株受到白葉枯病菌侵染后，與野生型相比，侵染部位的細(xì)胞壁在GIF1/OsCIN2轉(zhuǎn)基因植株中明顯變厚。纖維素(cellulose)是植物細(xì)胞壁的重要組成部分，通過化學(xué)抑制或是遺傳調(diào)控影響纖維素的合成或含量都可能調(diào)節(jié)植物對病原菌的抗性。我們研究發(fā)現(xiàn)突變體中纖維素含量有

5、所降低，而在轉(zhuǎn)基因植株中纖維素含量有顯著的增加，這些變化在增加植株抗病性也可能起到了一定的作用。此外，木糖(xylose，xy(1))在植物抗病中也有很重要的作用，我們也證實(shí)了轉(zhuǎn)基因植株細(xì)胞壁中木糖的含量有明顯的增加。
　　 植物在抗病過程中除了自身已有的物理防御機(jī)制外，可以誘導(dǎo)產(chǎn)生很多抗病物質(zhì)來抵抗病原菌的侵染，例如胼胝質(zhì)(callose)的積累、細(xì)胞壁乳突(cell wallpositions，CWAs; papillae)

6、的產(chǎn)生、過氧化氫(H202)的產(chǎn)生等等。我們在研究GIF1/OsCIN2抗病過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接水稻白葉枯病菌、稻瘟病菌后，與野生型相比，在轉(zhuǎn)基因植株的侵染部位可以明顯觀察到胼胝質(zhì)的積累。同時我們也發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因植株中有許多自噬小體(autophyage bodies)的產(chǎn)生，而在稻瘟病菌侵染的部位有菌絲誘導(dǎo)的細(xì)胞壁乳突(CWAs)的形成。此外，我們也發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)基因植株抗病過程中有H202的積累和細(xì)胞程序性死亡(Programmed Cell

7、Death，PCD)的發(fā)生。
　　 植物防衛(wèi)反應(yīng)需要消耗大量的能量，因此植物細(xì)胞的營養(yǎng)平衡尤其是糖代謝對植物抵抗外界生物脅迫起著重要的作用。在植物受到病原茵侵染后，在侵染部位會有短暫的“源”(source)和“庫”(sink)的轉(zhuǎn)換、防衛(wèi)基因的誘導(dǎo)和光合基因的抑制，這種轉(zhuǎn)換可以進(jìn)一步激發(fā)植物的防衛(wèi)反應(yīng)，讓植物產(chǎn)生抗病性。gif1突變植株的穗部容易被倉儲病害侵染，已有的試驗(yàn)結(jié)果也表明突變體的體內(nèi)糖分運(yùn)輸已經(jīng)受到破壞，在突變體穎殼中

8、蔗糖、果糖和葡萄糖的含量明顯降低，從而導(dǎo)致突變體穎殼細(xì)胞壁變薄。GIF1/OsCIN2轉(zhuǎn)基因植株中這三種糖的含量明顯增加，這種高糖信號也可能是激發(fā)植物防衛(wèi)反應(yīng)的原因之一。同時我們也驗(yàn)證了轉(zhuǎn)基因植株中防衛(wèi)基因和光合作用相關(guān)基因的表達(dá)，發(fā)現(xiàn)防衛(wèi)基因表達(dá)量明顯上調(diào)而光合基因的表達(dá)受到了抑制。
　　 本研究表明水稻細(xì)胞壁蔗糖轉(zhuǎn)化酶GIF1/OsCIN2介導(dǎo)的糖分代謝途徑在水稻物理抗性和誘導(dǎo)抗性上具有重要的調(diào)節(jié)功能，從而把能量代謝和植物防