水稻内源抗飞虱基因的功能及抗虫机理研究

To explore the molecular mechanism and breeding value of rice endogenous insect resistant genes, we take advantage of the rice T-DNA insertion mutants as material and have completed the field identification of 13,000 rice T-DNA pure lines resistant to rice planthopper in the past five years, and have received 300 mutants which showed high resistance to brown planthopper and/or white back planthopper. Ten planthopper resistant candidate genes have been cloned. Preliminary analysis results about the gene function and metabolic pathways showed that the mutation of key gene in plant metabolic pathways may improve the plant resistance to insect pests. Based on these preliminary results, using T-DNA insertion sequence as tag, try to clone 20-30 planthopper resistance related candidate genes from the pure mutant lines which have been identified by field screening. Then study the physiological function of genes and analyze its metabolic regulation pathway. Analysis the changes of key metabolic products in the pathway,explain the relationship of 5-10 genes physiological function, its metabolic pathway and rice mutant resistance to insects; and then clarify the molecular mechanism of these rice mutants. At last, 2-3 mutant genes will be verified in elite rice varieties and evaluate the impact of gene mutant on the yield and quality of rice. Hope these research results will supply some rice planthopper resistance gene resources and strategy for rice variety breeding.

为探索水稻内源抗虫基因的分子机理及其育种价值，我们利用水稻T-DNA插入突变体为材料，在过去的5年中，完成了1万3千份突变体纯系对稻飞虱的抗性鉴定,获得300份对褐飞虱或白背飞虱表现为高抗的突变体。目前已经克隆到10个抗飞虱相关基因，对基因功能及其代谢通路的分析结果表明，某个代谢通路上关键基因的突变，会导致某种代谢产物的积累或减少，从而提高了水稻的抗虫性。 本项目将基于上述研究结果，利用T-DNA插入序列为标签，克隆20-30个已经鉴定的抗飞虱相关基因，研究基因的生理功能及其参与的代谢通路；通过对代谢通路中关键产物的变化分析，明确5-10个基因的生理功能及其在代谢通路和突变体抗虫过程中发挥的作用，从而阐明突变体抗虫的分子机理；并对2-3个突变基因在水稻生产品种中进行突变验证，测试基因突变对水稻产量和品质的影响，为水稻抗虫育种提供基因资源和育种策略。

褐飞虱(Nilaparvata lugens)是危及我国粮食安全的最大生物灾害之一。本项目致力于寻找水稻内源性抗飞虱基因，研究基因的功能及抗虫机理，提高水稻抗虫育种的目的性。四年的研究共取得下述6项重要结果：.（1）证明了抗飞虱基因的小RNA可通过水稻根系吸收并发挥杀虫作用.RNA杀虫剂是未来无公害农药的新成员。本研究证明了RNA制剂可通过水稻根系吸收并发挥抗飞虱作用，为我们获得的水稻抗飞虱基因RNA杀虫剂的研究和应用奠定了良好基础（附件1，6）。.（2）证实了具有抗飞虱作用的新型信号分子OPDA.JA及OPDA是植物体内的重要信号分子，本研究表明，激活水稻抗褐飞虱反应的关键因子是OPDA，而不是JA。AOC过表达可通过OPDA及JA信号通路同时提高水稻对刺吸式及咀嚼式害虫的抗性。本研究揭示了OPDA作为一个信号分子在水稻抗褐飞虱过程中发挥重要作用（附件2，11）。.（3）找到了OPDA下游的抗飞虱相关基因.水稻对刺吸式和咀嚼式害虫具有不同的防御信号分子，从而启动既相互区别，又相互依存的信号通路。通过转录组分析，我们已经找到了参与刺吸式害虫抗性的基因，如LTLL47及R基因。还发现了参与咀嚼式害虫的抗虫基因，如DEF及R基因（附件3）。.（4）证明了TOM64突变体具有高抗褐飞虱的作用.经抗虫鉴定，发现一株高抗褐飞虱的TOM64基因缺失突变体。该基因定位于线粒体，由于该基因突变提高了水稻组织中的H2O2含量及水稻对稻飞虱的耐受性。突变体使水稻从高感（7-9级）提高到中抗（3-5级）水平（附件4，7）。.（5）发现了OsEXP10在调控水稻生长及抗褐飞虱中的平衡作用.褐飞虱取食能显著抑制OsEXP10的表达。与野生型ZH11相比，OsEXP10基因过表达呈现明显的感褐飞虱表型，而OsEXP10基因RNAi则呈现抗褐飞虱表型。在调控生长方面，该基因过表达：①植株变高；②籽粒变大；③ 颖壳细胞加长。该基因被抑制：①植株变矮；②籽粒变小；③ 颖壳细胞缩短（附件5，10）。.（6）发现了miRNA及花青素合成基因具有抗飞虱作用. 已经发现了miR396和OsF3H具有抗飞虱作用，并申请了专利（附件8，9）。