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氯化钙浸种诱发水稻抗褐飞虱的生化和分子机制

批准号:
32060621
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
35.0 万元
负责人:
叶茂
依托单位:
学科分类:
作物免疫与抗性
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
叶茂

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
防御诱发是植物自身拥有的一种独特的防御策略,目前对于植物诱发抗性的研究主要集中在诱发因子、作用靶标以及引起植物防御效率等方面,关于防御诱发机理的研究也大多来源于植物与病原菌的互作研究,而有关抗虫防御诱发的机理还有待深入研究。钙是植物生长发育的必需营养元素,项目前期发现氯化钙浸种可显著提高水稻对褐飞虱的抗性,但机理尚不清楚。据此,本项目拟在水稻种子经过氯化钙浸种后,对种子和叶鞘进行转录组测序,筛选其中差异表达最显著的防御相关基因,利用CRISPR-Cas9基因编辑技术研究重要防御基因在外源钙诱发水稻防御褐飞虱中的功能,并结合Ca2+ 螯合剂 EGTA和离子通道抑制剂LaCl3处理,阻断水稻植株钙离子信号传递,比较不同基因型各处理水稻植株对褐飞虱的抗性变化,探明外源钙介导下水稻内源钙离子对SA防御信号途径的调控作用,揭示外源钙诱发水稻抗褐飞虱的机理,为利用外源钙增强水稻对害虫的抗性奠定理论基础
英文摘要
Defense priming is a unique defense strategy exploited by plants. At present, the research on plant defense priming mainly focuses on the priming agents, priming targets and the efficiency of plant defense priming. Most studies on priming mechanism are associated with the interaction between plants and pathogens. Few study focuses on priming mechanism of anti-herbivore defense. Calcium (Ca) is an essential nutrient element for plant growth and development. Our previous study showed that seed soaking with calcium chloride can significantly improve rice resistance to brown planthoppers (BPH), but the mechanism is still unclear. Based on this, this project will perform transcriptome sequencing on seeds and leaf sheaths after soaking rice seeds with calcium chloride to screen defense-related genes with the most significant differential expression. CRISPR-Cas9 gene editing technology will be used to identify the role of important defense genes in exogenous Ca-primed rice defense against BPH. The treatment of Ca2 + chelator EGTA and ion channel inhibitor LaCl3 will be used to block the calcium signal transmission in rice plants and compare the changes in resistance of different genotypes to brown planthopper after different treatments. This study will reveal exogenous calcium-mediated defense priming and regulation of SA defense signaling pathways by rice endogenous calcium ions, laying a theoretical foundation for the use of exogenous calcium to enhance rice resistance to insect pests.
本研究发现取食CaCl2 浸种处理的水稻的褐飞虱存活率、蜜露分泌量、体重增量显著降低,发育历期延长,卵巢发育慢,产卵量减少,EPG结果显示褐飞虱取食受到明显抑制。钙离子螯合剂 EGTA、钙离子通过抑制剂 LaCl3 抑制了CaCl2 诱导的水稻对褐飞虱的抗性。通过转录组分析比较CaCl2 浸种和水浸种处理的水稻种子差异表达基因,发现 CaCl2 和 H2O 浸种处理的水稻种子的转录组数据一共有344个基因存在差异表达,其中84个上调基因,260个下调基因;差异表达基因在 GO 数据中分为生物学过程、细胞组分和分子功能 3 大类,CaCl2 处理可以调控水稻种子 Ca2+ 信号通路基因表达,促进 SA 生物合成,表明氯化钙浸种处理帮助水稻从种子阶段开启了抗虫防御。通过转录组分析比较经CaCl2 浸种和水浸种处理的水稻植株被褐飞虱取食和无褐飞虱取食的水稻叶鞘差异表达基因,发现褐飞虱取食24 h 后,CaCl2 浸种处理的差异表达基因在 KEGG 数据库主要富集到苯丙烷生物合成、植物-病原体相互作用和 MAPK 信号通路-植物途径,并且经 CaCl2 处理的水稻植株表现出更为强烈的钙信号感受和传递,迅速合成 SA 防御褐飞虱,表明经 CaCl2 处理的水稻植株比水处理的水稻植株有更强的防御反应。水稻SA合成缺陷突变体pal1-3对褐飞虱的抗性降低,外源钙处理的 pal1-3 突变体植株对褐飞虱的抗性明显比水处理的对照植株强,表明内源钙离子信号与SA防御信号途径有明显的正协同作用。通过比较各处理水稻植株遭受褐飞虱取食前后叶鞘组织细胞壁形态结构、组分,鞘胼胝质沉积及相关合成基因表达的差异,发现外源钙浸种处理可以增强细胞壁强度,维持水稻细胞壁结构,这可能是阻碍褐飞虱产卵的原因之一。此外,氯化钙浸种处理的水稻对褐飞虱天敌黑肩绿盲蝽有明显的吸引作用,有利于黑肩绿盲蝽对褐飞虱卵和若虫的捕食。综上,本项目首次解析了氯化钙引发水稻种子提高水稻植株抗褐飞虱的生理和分子机制,研究了外源钙介导下水稻对褐飞虱生长发育和取食行为的影响,初步探明了外源钙介导下SA防御信号途径对水稻抗褐飞虱的调控作用,为利用外源钙诱导增强水稻抗性,绿色防控褐飞虱奠定了基础。
茉莉酸甲酯介导的植物防御与昆虫反防御的成本与受益
  • 批准号:
    31701801
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    叶茂
  • 依托单位:
国内基金
海外基金