转录因子PAT5介导的水稻抗稻瘟病分子机制研究

Rice blast, caused by the fungal pathogen Magnaporthe oryzae, is one of the most severe diseases in rice production which threatens China’s national economy and food security. The discovery and utilization of disease resistance genes is considered the most economical and practical approach to control rice blast.The broad-spectrum blast resistance gene Piz-t was cloned in the previous study,but the molecular mechanism of Piz-t-mediated broad-spectrum disease resistance remains unclear. In this study, Piz-t was used as bait for yeast two-hybrid screening.A novel transcription factor, PAT5, was identified as a Piz-t interaction protein. Expression pattern analysis showed that the expression of PAT5 was significantly induced in Piz-t-mediated resistance reactions. The pat5 knockout mutant showed enhanced resistance against M. oryzae, indicating that PAT5 may play a critical role in both PTI and Piz-t-mediated ETI in rice immunity. In this proposal, we will further analyze the temporal and spatial expression patterns as well as the biochemical functions of PAT5 to determine its role in rice blast resistance, along with its mutual regulation relationship with Piz-t. The accomplishment of this study may reveal the mechanism of Piz-t-mediated resistance and provide clues for effective control of rice blast in rice production.

稻瘟病是水稻生产中最严重的真菌病害之一，对我国国民经济与粮食安全造成巨大威胁。抗病基因的发掘和利用是生产中防控稻瘟病最为经济有效和环保的手段。课题组前期研究克隆了水稻的广谱抗稻瘟病基因Piz-t，然而Piz-t介导的广谱抗病分子机制仍不明确。本研究前期工作以Piz-t为诱饵进行酵母双杂交筛选，发现Piz-t与一个新类型的转录因子PAT5相互作用。表达模式分析结果表明，PAT5在Piz-t介导的水稻与稻瘟菌非亲和反应中被显著诱导，而接菌结果显示pat5敲除突变体增强了对稻瘟菌的抗病性，表明PAT5在水稻抗稻瘟病PTI及Piz-t介导的ETI反应中均可能发挥重要作用。本研究拟进一步深入研究PAT5的时空表达模式及生化功能，分析其在水稻抗稻瘟病中的生物学功能，解析其与Piz-t的相互调控关系，从而揭示转录因子PAT5介导的抗稻瘟病分子机制。

稻瘟病是水稻最严重的病害之一，威胁粮食安全。抗病基因的发掘和利用是防控稻瘟病最为经济有效和环保的手段。大部分抗病基因编码核苷酸结合富含亮氨酸重复（NLR）类蛋白，表明NLR蛋白在水稻免疫中起关键作用。然而，NLR蛋白如何被调控以及如何激活防御信号还不清楚。项目前期发现含有NLR抗性基因Piz-t的水稻品种对含有无毒基因AvrPiz-t的稻瘟菌小种具有非亲合抗性反应。进一步研究发现AvrPiz-t在水稻中的互作蛋白RING类型E3泛素连接酶APIP10负调控Piz-t的积累。然而APIP10与Piz-t之间没有直接相互作用，暗示水稻中可能需要其它蛋白参与APIP10对Piz-t的调控。.在本研究中，我们发现Piz-t与水稻维管植物单锌指转录因子OsVOZ1（PAT5）和OsVOZ2相互作用，进一步研究发现APIP10与OsVOZ1和OsVOZ2也相互作用，并通过26S蛋白酶体途径促进OsVOZ1与OsVOZ2蛋白降解。OsVOZ1与OsVOZ2主要定位在细胞核并形成同源和异源二聚体，OsVOZ1具有转录抑制活性，而OsVOZ2具有转录激活活性。OsVOZ1可以增强OsVOZ2的转录活性，而OsVOZ2不影响OsVOZ1的转录活性。在没有Piz-t的水稻材料背景下，osvoz1osvoz2双突变体表现出严重矮化和细胞死亡的表型。同时抑制OsVOZ1和OsVOZ2基因表达的水稻表现出比双突变体较弱的矮化和细胞死亡表型，接菌结果显示OsVOZ1与OsVOZ2双沉默水稻株系增强了对稻瘟病的抗病性。进一步发现OsVOZ1和OsVOZ2都与Piz-t相互作用。在Piz-t水稻背景下同时抑制OsVOZ1和OsVOZ2的表达降低了Piz-t的蛋白积累和转录水平、以及Piz-t介导的细胞死亡和对含有无毒基因AvrPiz-t稻瘟菌小种的抗病性。.综上，本研究发现OsVOZ1和OsVOZ2协同负调控水稻基础防御，而正调控Piz-t介导的特异性抗性反应。该研究鉴定了泛素连接酶APIP10在水稻中的底物蛋白，并发现维管植物单锌指转录因子在水稻基础抗病和特异性抗病过程中都发挥着关键作用，揭示了Piz-t介导稻瘟病抗病性的分子机制，为水稻生产中稻瘟病的综合防控提供了新思路。研究结果发表在行业著名期刊Molecular Plant，Trends in Plant Science，aBiotech上。