[发明专利]水稻类病变基因upg8及其应用

说明书

技术领域

本发明属于生物技术领域，涉及一种影响水稻类病变发生的基因及其在植物抗病与转基因的应用。

背景技术

水稻类病变指植株在无非生物胁迫、机械损伤、病原菌侵染下自发产生类似病原菌侵染的过敏性反应，在局部形成与病斑类似的斑点。根据叶斑形成的特点，突变体分为扩散型和起始型两类。扩散型在斑点形成后逐渐扩散到全叶或整个植株，如水稻spl1和lmm1；而起始型是指在植物叶片或其他部位的细胞坏死而自发和随机形成相对稳定分布和大小的斑点，如水稻blm和M1009。类病变发生既有植物内部基因的调控作用，也受光照、温度、湿度和养分等环境因素影响。如高温和紫外线诱导spl7的斑点形成，而低温和短日照促进Oslsd1斑点产生，表明相关基因可能参与光温调节的代谢途径，与植物光合作用以及逆境应答相关。此外许多突变体还伴随株高、育性、分蘖力和产量等农艺性状的改变和抗病性的增强。病菌感染后，植物体内ROS瞬间积累诱发HR反应，最终导致感染部位细胞程序性死亡并形成系统防御反应，而且突变体类病变发生与植物感病的PCD过程非常相似，但植物PCD的机理仍不清楚。因此，类病变突变体是阐释植物抗病性与PCD调控机制的理想材料与研究体系。

类病变突变体的抗病性与病原菌亲和性有关，大多数突变体对不同病菌表现出一定抗性，但对病菌的不同生理小种存在抗性差异，如spl21、spl22、spl24、cdr1~cdr3 等只对某一小种有抗性，spl0、spl13~spl15和blm等对多个小种有抗性，而spl4、spl5、spl7、spl11、Spl12、spl17和spl26 等对不同水稻病害表现出广谱抗性。因此，类病变突变体是研究植物PCD和抗病作用机理的理想材料。如水稻类病变突变体cdr1~cdr3叶片出现自体荧光、胼胝质沉积和细胞死亡，突变体中病程相关基因PBZ1 和 PR1的表达水平上调，而且稻内酯A积累是野生型的100多倍，这可能是突变体对稻瘟病显著抗性的主要原因。ttm1 突变体是OsPti1a(编码质膜蛋白激酶)突变所致，种植30天后叶片出现小斑点，突变体中PR基因和PAL的表达上调，稻内酯A的积累比野生型高150倍，对稻瘟病具有明显的抗性，而OsPti1a 过表则负调节水稻的防御反应。nls1突变体表现出对白叶枯病菌的组成型抗病反应，包括活性氧和水杨酸(SA)过量积累、PR基因表达上调。

已鉴定类病变突变体中，spl7编码一个热激转录因子蛋白，spl7突变体是其DNA结合域中高度保守的色氨酸突变为半胱氨酸，导致该蛋白的结构与功能发生改变。spl6在分蘖后期叶片出现棕红色斑点，突变体中二硫键异构酶、转酮醇酶、ATP合成酶、Rubisco大亚基、Rubisco活化酶小亚基和硫氧还蛋白、过氧化物酶等蛋白的表达显著下调，这些蛋白(酶)的缺乏破坏了突变体细胞中ROS的动态平衡，进而引发PCD过程和类病变发生。spl11突变体是单碱基突变导致蛋白翻译提前终止，突变体斑点在分蘖期沿中脉分布，且具有广谱的抗病性。spl11编码一个含有U2box/Armadillo结构域的E3连接酶，因此Spl11可能在植物细胞死亡与防御反应的泛素系统中起负反馈调节因子的作用。spl18 和spl28分别编码酰基转移酶和网格相关蛋白受体复合体的AP1M1亚基。spl28突变体中叶绿素含量与光系统II的效率降低，导致HR反应并诱发叶片死亡。但突变体中大量积累ROS、防卫素和胼胝质，对稻瘟病和白叶枯病的抗性显著增强。水稻中类病变相关基因鉴定与功能研究已经取得了卓有成效的进展，但是目前还只有50多份被鉴定和命名，且已克隆的类病变性状基因有编码热激蛋白因子、E3泛素连接酶、酰基转移酶、质膜蛋白激酶、锌指蛋白和锚蛋白等有限的蛋白。因此，挖掘新的水稻类病变基因及其作用机理还任重道远。

尿苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶（Upgase）在植物碳水化合物代谢和生长发育过程中发挥重要作用，Upgase催化1-磷酸葡萄糖与尿苷三磷酸生成尿苷二磷酸葡萄糖(UDPG)及焦磷酸。UDPG是淀粉合成的前体，在植物碳源组织中通过Upgase催化形成G-1-P，促进蔗糖的再合成，而在碳库组织中Upgase则催化蔗糖分解产生UDPG。水稻中有2个编码Upgase的基因OsUpg1 和OsUpg2。OsUpg1 影响花粉母细胞减数分裂阶段胼胝质积累和种子中糖类代谢，调控水稻花粉不育和育性转换过程。但目前有关糖类相关基因参与水稻类病变发生还未见报道。

发明内容