稻瘟菌效应蛋白AvrPiz-t靶标蛋白APIP5的功能与作用机制分析

Plant diseases seriously affect crop yield and quality. The most effective and environmentally friendly approach to control plant diseases is the use of resistant cultivars. However, because of the instability in pathogen populations, most resistant cultivars often become susceptible within a few years of release. A thorough understanding of plant-pathogen interactions and host defense responses to diverse pathogens is essential for developing new approaches to control plant diseases. Rice is one of the world's important food crops and rice blast, caused by the fungal pathogen Magnaporthe oryzae, is the most serious rice fungal diseases. We previously cloned the broad-spectrum R gene Piz-t in rice and its cognate Avr gene AvrPiz-t in M. oryzae. In this project, we will analyze the function of the transcription factor APIP5, a target of the effector AvrPiz-t, in the control of cell death and disease resistance and determine APIP5 transcription activity and subcellular localization. We aim to establish the rice blast resistance regulation model mediated by AvrPiz-t-APIP5-Piz-t. The proposed project will provide new insights into blast resistance mechanism and new approaches to control plant diseases.

植物病害严重影响农作物的产量和品质，选育和推广抗病品种是防控作物病害最经济、有效和环保的策略。然而病原菌小种快速适应性变异往往导致专化抗性的丧失，因此全面深入了解植物与病原菌的互作以及寄主抗性机制对开发新的病害防控策略显得尤为迫切。水稻是世界上最重要的粮食作物之一，稻瘟病是水稻生产过程中最重要的真菌性病害。本项目以课题组前期工作中克隆的广谱抗稻瘟病基因Piz-t以及其相应稻瘟菌效应蛋白AvrPiz-t为基础，研究稻瘟菌效应蛋白AvrPiz-t靶标蛋白APIP5介导的水稻细胞死亡和抗病性功能，结合APIP5的转录活性和亚细胞定位调控分析，揭示转录因子APIP5在水稻-稻瘟菌互作中的调控机制，阐明AvrPiz-t-APIP5-Piz-t介导的水稻抗稻瘟菌防御反应机制，为建立新的农作物防控策略提供思路。

稻瘟病是水稻生产过程中最重要的真菌性病害。本项目以前期克隆的水稻广谱抗稻瘟病基因Piz-t以及其相应稻瘟菌无毒基因AvrPiz-t为基础，通过研究AvrPiz-t在水稻中转录因子类型靶标蛋白APIP5的功能和作用机制，揭示了稻瘟菌如何引起水稻细胞坏死以及水稻如何抑制稻瘟菌从活体营养阶段转换到死体营养阶段的分子机制。主要取得了以下研究成果：(1) 免疫共沉淀、萤火虫荧光素酶互补实验和双分子荧光互补等实验证明AvrPiz-t与水稻bZIP类型的转录因子APIP5存在特异性相互作用，而且APIP5的N末端序列是互作的必需区段。(2) 酵母细胞转录自激活实验表明APIP5全长蛋白和N末端具有较强的自激活活性，植物原生质体转录因子活性实验进一步证明AvrPiz-t可以特异性的抑制APIP5 N末端的转录活性。APIP5主要定位在植物细胞质和细胞膜中，且与AvrPiz-t共定位在细胞质中。(3) 水稻中抑制APIP5的表达能显著诱导细胞死亡。与野生型水稻相比，APIP5 RNAi株系增强了对稻瘟菌的抗耐性。(4) 通过RNA-Seq分析和qRT-PCR验证发现细胞死亡负调控因子在APIP5 RNAi株系中下调表达，而植物防御相关基因显著上调表达，说明APIP5是细胞死亡和水稻抗病性的负调控因子。(5) 通过遗传分析证明APIP5 RNAi*AvrPiz-t比APIP5 RNAi转基因植株表现出更严重的细胞死亡表型和更高水平的H2O2累积，说明AvrPiz-t加剧了APIP5 RNAi介导的细胞死亡。APIP5 RNAi*Piz-t-HA杂交材料细胞死亡相关表型分析结果表明，Piz-t增强了APIP5的转录水平和蛋白水平的表达，而且APIP5是Piz-t蛋白累积所必需的。GST pull-down和萤火虫荧光素酶互补实验证明APIP5的N末端与Piz-t蛋白的NT基序相互作用，说明APIP5同时是稻瘟菌效应蛋白AvrPiz-t和水稻抗病蛋白Piz-t的互作因子。. 以上结果揭示了寄主R蛋白通过稳定病原菌效应蛋白在寄主中的靶标蛋白，从而抑制效应蛋白激发的细胞坏死的新机制。达到了本项目的预期研究目标。为创制新的病害防控策略提供了新思路。本项目共发表SCI论文9篇，申请国家发明专利一项。协助培养研究生3名。项目主持人获得国家自然科学基金优秀青年基金项目资助。