Nature Plants||诱导水稻IPA1过表达不仅提高抗病性且增加产量

学术   2024-10-28 18:15   广东  
今天分享的文献是发表在《Nature plants》期刊上的一篇研究论文。

当植物遭遇病原菌侵袭时,常常会以牺牲生长为代价,因此寻找一条提高植物抗病性且不以牺牲生长为代价的育种策略十分重要。
激素在植物的生长-防御平衡方面发挥着重要的作用,生长素信号传导可以抑制由水杨酸介导的抗病性,病原菌可向宿主体内释放一些游离IAA从而降低植物免疫力。然而,另一种平衡生长和抗逆的机制涉及茉莉酸(JA)和赤霉素(GA)之间的串扰。
在本研究中我们用OsHEN1的致病诱导启动子生成表达IPA1的转基因水稻植株,这些植物既具有增强的抗病性,又增强了产量相关性状。因此,我们确定miR156-IPA1是生长和防御之间串扰的新型调节剂,并且建立了一个新的获得高抗病性和高产植株的策略。
1. 水稻白叶枯病菌Xoo诱导miR156的积累、

者利用Small RNA印迹发现在Xoo侵染后miR156表达持续上调,因此作者构建了MIM156和miR156-OE植株,利用Xoo(PXO99A)侵染后发现,相对于野生型,MIM156植物的病斑以及病原菌生长速率明显降低,而miR156-OE相反,说明miRNA156是水稻抵御Xoo的负调节因子。

ipa1-1D突变体类似,相比WT,MIM156的水稻的分蘖极度减少、穗子变小、育性降低说明OsSPL可能负调控水稻产量。

2. 过表达IPA1OsSPL7增强水稻抗病性

为了探究miR156靶基因SPL的功能,作者构建了IPA1-OE和OsSPL7-OE植株,发现相对于WT,转基因植株均表现出广谱的抗病但生长受到抑制,说明激活IPA1或其同源基因OsSPL7均可促进水稻抗病性,但降低水稻产量。
3.IPA1和OsSPL7和DELLA蛋白互作

之前在拟南芥中的研究发现SPL基因可与DELLA蛋白发生互作,为了探究在水稻中SPL是否可以和SLR1进行互作,利用酵母双杂一对一验证,分裂荧光素酶实验和BiFC进行验证。因为SLR1的DELLA / TVHYNP域对泛素介导的降解很重要。因此SLR1的N端部分与OsSPL互作可能会干扰GA对SLR1的降解。
4.IPA1OsSPL7上调可能抑制GA合成

作者为了探究IPA1OsSPL7对GA合成的影响,首先对MIM156、IPA1-OE 和OsSPL7-OE的发芽率进统计,发现相对于WT,转基因植株的发芽率明显降低,之后通过移栽,GA3处理后发现长大后的转基因植株的生长量明显没有野生型显著,因此说明IPA1或OsSPL7激活降低了GA对水稻发育和生长的影响。

5.IPA1通过稳定SLR1从而减少GA介导的易感性

通过对WT,MIM156、IPA1-OE 和OsSPL7-OE植株外源施加GA3,均降低了植株对于Xoo的抗病性,但对WT的降低程度更强,说明GA对疾病发展的抑制主要通过过表达IPA1和OsSPL7。为了验证GA途径在OsSPL过表达植株中受到抑制,作者通过qPCR发现在WT,MIM156,IPA1-OE和 OsSPL7-OE中SPL的转录水平相同,因此作者GA介导的不敏感性主要是通过调控SLR1的转录水平实现,发现相对与WT,MIM156、IPA1-OE 和OsSPL7-OE中SLR1的蛋白水平明显升高,说明DELLA 蛋白的积累导致GA介导的不敏感性。

6.IPA1调控生长和抗逆部分通过SLR1

为了验证GA对OsSPL过表达植株的抗病和发育表型是否重要,作者通过杂交获得了EUI1-RNAi/MIM156 和EUI1-RNAi/IPA1-OE植株(EUI1是一种使赤霉素失活的酶),发现相对单突植株双突转基因植株的高度明显增加,说明GA在调控IPA1-OE的过程中发挥作用。

作者为了验证SLR1蛋白的积累可能对OsSPL的过表达植株的生长和抗病产生影响,作者构建了slr1-1/MIM156和slr1-1/IPA1-OE转基因植株,发现相对于IPA1-OE和MIM156来说,slr1-1/MIM156和slr1-1/IPA1-OE的植株更高,病菌侵染后伤口更大且PR基因表达下调,说明DELLA蛋白积累至少部分负责MIM156和IPA1-OE植株疾病和发育。

7.诱导IPA1过表达以获得高产量和抗病性强的水稻

为了获得高抗与高产的水稻,作者利用白叶枯病菌TALE类效应因子诱导表达的OsHEN1的启动子启动IPA1,获得了转基因水稻OsHEN1::IPA1(HIP)。在没有病原菌侵染时,这些转基因植株微量上调了IPA1的表达量,产量提高。当有白叶枯病侵染时,IPA1被强烈诱导表达,增强了抗病性且产量也相应提高。

文章总结

作者发现IPA1的过表达会增加水稻抗性,但导致较小的圆锥花序和减少产量使用OsHEN1的细菌诱导启动子,生成OsHEN1:IPA1转基因水稻植株。在没有病原体接种的情况下,转基因水稻植株的IPA1转录本水平中等升高,茎粗,分蘖少,圆锥花序更大,更多每穗粒。随着病原体接种,IPA1转录本水平进一步增加,导致防御反应增加,因此我们开发了一种基于IPA1的兼具高产、高抗病性的水稻品种新策略,为之后的作物与育种提供理论基础。

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