水稻品种魔王谷持久抗稻瘟病基因Pi49的克隆及其进化分析

Rice is an important food crop in China, and blast is one of the most devastating diseases in rice. Exploration and utilization of resistance genes, especially durable and broad-spectrum resistance genes, is the most effective strategy to control the blast. The cloning of durable resistance genes to the rice blast and its regular mechanism are still poorly understood although two durable resistance genes, pi21 and Pb1, have been cloned. In this project, we propose to fine map and clone the novel resistance gene Pi49 from the rice cultivar Mowanggu with durable blast resistance basing on our preliminary mapping data. Moreover, molecular genetic polymorphism of the Pi49 alleles in major cultivars and wild rice specises will be analyzed to elucidate its evolutionary dynamics. The results to be obtained from the proposed investigations will provide new insights into the Pi49-mediated molecular genetic mechanism, great scientific significance for illustrating deeply the molecular mechanism of rice durable resistance against blast and an improtant gene germplasm for rice blast resistance breeding.

水稻是我国重要粮食作物，稻瘟病是水稻的最主要病害之一，而控制稻瘟病危害的最有效策略是发掘和利用抗性基因尤其是持久广谱抗性基因。目前，国内外水稻稻瘟病持久抗性基因的克隆及其分子调控机制研究报道尚少,只报道了pi21和Pb1两个持久抗性基因。本项目拟以独特的水稻持久抗瘟种质魔王谷及其衍生的重组自交系为研究材料，在前期定位的主效抗性基因Pi49基础上，采用图位克隆策略克隆该基因；同时，通过研究Pi49同源基因在栽培稻和野生稻中的分子遗传多态性，揭示其分子进化动态。以期解析水稻稻瘟病持久抗病基因Pi49分子遗传基础，研究成果将为深入阐明水稻持久抗性的分子机制提供重要新线索，并为水稻持久抗稻瘟病分子育种提供重要的基因资源。

稻瘟病是水稻上最严重的病害之一，发掘和利用水稻广谱、持久抗稻瘟病基因是控制该病最经济、有效的方法。云南地方水稻品种魔王谷对稻瘟病具有广谱、持久的高水平抗性，本研究旨在克隆出魔王谷中的主效抗稻瘟病基因，并分析其抗病分子机制。通过对魔王谷与感病品种CO39的杂交F2代及魔王谷的重组自交系F8代植株进行基因型、表型分析和图位克隆，初步定位魔王谷中的主效抗瘟基因位于第11号染色体上，我们命名为Pi49。通过利用分子标记进一步的精细定位，最终将Pi49定位于间距为0.32 cM的分子标记K10与K27之间。由于该区域附近有几个已克隆的Pi基因，本研究进行了抗谱分析，发现Pi49基因为新的主效抗稻瘟病基因。利用分子标记K10和K134对魔王谷BAC文库进行筛选，获得4个包含这两个标记的单克隆。对这4个单克隆测序后，获得候选基因所在区域的全序列。通过对候选基因区域的序列分析发现，该区域包含12个基因，去掉假基因后共9个候选基因，我们命名为Gene 1 - Gene 9。除Gene 8外，其余8个基因都包含与抗病相关的receptor-like-kinase结构和LRR结构。基因表达谱分析显示，Gene 3，Gene 4和Gene 7在接种稻瘟菌后表达量明显升高，而Gene 5则在接种稻瘟菌后表达量明显降低，说明这些基因参与水稻体内稻瘟病抗性信号传导。本研究分别构建了这9个基因的转基因植株，通过抗稻瘟病表型和其他相关抗病性分析发现，Gene 4和Gene 5分别过表达后能明显提高水稻对稻瘟病的抗性，说明二者为魔王谷体内提高稻瘟病抗性的主效基因。通过对候选基因的转基因植株农艺性状调查，发现Gene 4，Gene 5和Gene 9的农艺性状相较于野生型NPB对照稍微有一些降低，所以利用Gene 4和Gene 5进行抗稻瘟病育种对品种产量不会有太大影响。本课题对魔王谷的稻瘟病抗性分析、新的广谱持久抗稻瘟病基因Pi49的克隆与表达谱分析，以及Pi49转基因材料的获得与农艺性状分析等，为水稻抗稻瘟病育种提供了优异的种质资源和基因资源，为进一步解析水稻抗稻瘟病的机制提供了分子基础，并为植物持久抗性分子机制深入研究提供新的重要信息。