OsRCI遗传多态性及其在水稻诱导抗虫防御反应中的功能与作用机制

The Jasmonic acid (JA) and Green leaves volatiles (GLV), the products of lipoxygenase pathway, are the most important signal moleculars of plant defense signaling transduction. OsRCI is one new herbivore-induced rice lipoxygenase gene, the protein of OsRCI is located in Chloroplast and appears C13-LOX catalysis activity. We found that OsRCI gene showed two genetic polymorphisms (L--R type and HRRP type) in rice brown planthopper non- and resistant rice varieties. Various OsRCI mutants will be constructed, their functions will be studied from different fields as biochemistry, molecular biology, genetics and reverse genetics in order to revealing 1) the roles of two types of rice OsRCI gene (L--R type and HRRP type) in synthesis of Jasmonic acid (JA) and Green leaves volatiles (GLV); 2) the mechanism of OsRCI in regulating rice herbivore induced defense responses; 3) discovering the relationship between OsRCI gene and rice Bph1 gene. This study may deepen the understanding the function of rice lipoxygenase family in plant resistance, and the molecular mechanism of rice induced defense response. The findings are expected to provide a theoretical basis for the molecular breeding of insect-resistant rice variety, or those genes may be directly used as insect-resistant genes in application of agricultural production.

脂氧合酶代谢产物茉莉酸(JA)和绿叶性气味(GLV)是重要的抗虫防御信号分子。OsRCI是新发现的虫害诱导水稻脂氧合酶基因，其编码蛋白具C13催化活性，并定位于叶绿体中。我们发现OsRCI基因在抗褐飞虱水稻品系(含Bph1基因)和敏感品系中存在遗传多态性(L--R型和HRRP型)。本项目将构建OsRCI基因的各种突变体，从生物化学、分子生物学、遗传学和反向遗传学角度对其功能进行研究，解析水稻不同型OsRCI基因对水稻虫害诱导抗虫防御反应的影响；明确OsRCI基因在水稻茉莉酸(JA)和绿叶性气味(GLV)合成中的作用，初步解析OsRCI基因调控水稻抗虫防御反应的作用机制；直接将OsRCI作为分子标记基因分析水稻遗传群体，明晰该基因与水稻Bph1基因的关系。本研究有望增加对水稻抗虫防御反应分子机理的认识，研究结果可为抗虫水稻品种的选育提供分子理论依据,或者可作为抗虫基因直接应用于农业生产。

脂氧合酶代谢产物茉莉酸和绿叶性气味是重要的抗虫信号分子。OsRCI-1基因是新发现的虫害诱导水稻脂氧合酶基因，通过基因克隆、构建不同类型突变体水稻，从生物化学、反向遗传学、分子生物学对其等位基因及其功能进行了研究，结果如下：.1. 克隆了Mudgo、TN1、IR26等7个抗、感褐飞虱水稻品种的OsRCI-1的cDNA序列，并与网上其他序列比较证实了水稻OsRCI-1基因存在遗传多态性；根据信号态序列不同可以分为LR型（感褐飞虱水稻）和PR型（抗褐飞虱水稻）。.2. LR型OsRCI-1编码蛋白OsRCI-1LR定位于叶绿体内膜上，而PR型OsRCI-1PR定位于细胞膜和叶绿体上（非内膜）。LR和PR型OsRCI-1蛋白之间生化特性存在差异，在25℃、pH7.0缓冲液下，无论是以亚油酸LA或亚麻酸LeA为底物，OsRCI-1LR的催化活性显著高于OsRCI-1PR的催化活性。LR和PR型分别为OsRCI-1基因座的2个等位基因，且分别为功能正常和功能减损等位突变基因型。.3. 利用过量表达和RNAi反义抑制LR型OsRCI-1水稻突变体，证实了OsRCI-1编码蛋白参与水稻内源虫害诱导茉莉酸和绿叶性气味的合成，正调控水稻对褐飞虱和白背飞虱的直接和间接抗性。OsRCI-1通过影响茉莉酸途径、水杨酸途径、乙烯途径、过氧化氢等信号途径，上调绿叶性气味、二庚酮、二庚醇、胰蛋白酶抑制剂等次生代谢物含量调控水稻对褐飞虱的抗性。.4. 而与对照相比，过量表达PR型OsRCI-1基因的水稻内源茉莉酸含量无差异，对褐飞虱的取食和产卵量也无影响。因此，OsRCI-1并非为水稻Bph1基因，此结果可从另一个角度验证Yan et al（2016）的研究结果。.综上所述，水稻OsRCI-1基因存在多态性，其中LR型为功能正常型OsRCI-1等位基因。LR型OsRCI-1编码叶绿体内膜蛋白，正调控水稻对褐飞虱的抗虫防御反应，该基因型可作为抗虫基因应用于水稻育种。该研究结果加深对水稻脂氧合酶家族基因影响水稻抗虫性的认识，为抗虫水稻品种的分子选育提了理论基础。