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水稻是重要的粮食作物,但是各种病害导致水稻大面积减产,对全球粮食安全造成严重威胁。白叶枯病和稻瘟病是世界范围内水稻生产中最常见的两大病害。利用水稻自身抗病性防治病害,是最经济有效的方法,而这有赖于对水稻抗病性机制有全面的深刻的认识。目前,从公共数据库中可获得水稻全基因组数据以及大量的受白叶枯病菌和稻瘟病菌侵染的转录组数据。充分利用这些大数据资源,揭示水稻响应病原物侵染的分子机制,具有重要的意义。本研究分四部分。第一部分,从水稻基因组中挖掘出病原物诱导启动子(Pathogen-inducible promoters,PIPs),并对它们调控的基因进行了特征分析。第二部分,鉴定和分析了水稻频繁响应白叶枯病菌(Xanthomonas oryzae pv.oryzae,Xoo)和稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae,Mor)侵染的基因。第三部分,重新鉴定了水稻NLR基因家族成员并分析了其受病原物诱导的转录活性。第四部分,对鉴定到的受Xoo诱导表达上调次数最多的水稻NLR基因LOC_Os01g70080进行了靶向编辑。主要结果如下。1.受病原物诱导启动子调控的水稻基因的鉴定与特征分析本研究共鉴定出882个同时含有AS-1、G-box、GCC-box和H-box顺式调控元件的受PIPs调控的水稻基因。在这些基因中,有190个编码抗/感病相关蛋白,70个编码转录因子。对接种病原物的水稻Microarray数据的分析表明,357个PIPs调控的基因的转录产物在病原物侵染时呈现差异表达。在53个受PIPs调控的转录因子编码基因中,48个在病原物侵染时上调或下调表达超过1.1倍。对接种病原物的水稻RNA-seq数据的分析表明,327个PIPs调控的基因的转录产物在病原物侵染时呈现差异表达。比较分析发现,分别有100个和37个PIPs调控的基因同时在上述Microarray和RNA-seq数据中呈现上调表达和下调表达。2.频繁响应白叶枯病菌和稻瘟病菌侵染的水稻基因的鉴定与特征分析通过对接种Xoo或Mor的大量水稻Microarray数据的综合分析,本研究分别鉴定出12932个受Xoo调控的基因和2709个受Mor调控的基因。GO富集分析表明,上调表达基因最频繁定位于线粒体,下调表达基因最频繁定位于叶绿体。细胞分裂素相关进程最频繁受Xoo抑制,茉莉酸和脱落酸相关进程最频繁受Xoo和Mor激活。在响应Xoo和Mor侵染的基因中,防御反应和各类信号通路是最频繁富集的抗病机制。Interpro富集分析显示,Zinc finger蛋白家族、WRKY蛋白和Myb蛋白是受Xoo和Mor调控最多的转录因子。KEGG分析表明,“苯丙氨酸生物合成”、“抗生素生物合成”、“苯丙氨酸代谢”和“次生代谢物生物合成”进程最频繁受Xoo和Mor诱导,而“植物昼夜节律”则最频繁受Xoo和Mor抑制。3.响应白叶枯病菌和稻瘟病菌侵染的水稻NLR基因的鉴定与转录特征分析本研究从日本晴水稻基因组中挖掘得到430个NLR(Nucleotide-binding site and leucine-rich repeat)基因,包括192个CC-NBS-LRR类基因和238个X-NBS-LRR类基因。通过对69组接种Xoo或Mor的水稻Microarray数据进行独立和整合分析,本研究观察到397个水稻NLR基因呈低/中等水平表达,10个NLR基因以较高水平表达。分析发现,400个NLR基因至少在一组样本中呈现差异表达。进一步分析发现,46个NLR基因频繁地受Xoo或Mor诱导表达,其中38个NLR基因在一些病原物侵染的水稻RNA-seq数据中亦观察到差异表达。在这些NLR基因的启动子区,还发现了 MYC、STRE、MYB、ABRE、G-box和AS-1等六个顺式调控元件高频富集现象。选择了 10个NLR基因用于qRT-PCR检测,结果显示,其中7个NLR基因的检测结果与Microarray和RNA-seq数据的分析结果一致。4.水稻LOC_Os01g70080基因编辑载体的构建与转基因植株的获得本研究利用CRISPR/Cas9技术构建了水稻NLR基因LOC_Os01g70080的敲除表达载体,并通过遗传转化获得了LOC_Os01g70080基因编辑的转基因水稻植株。