水稻-水稻互作中第一个主要的locus
文献信息
Summary
- 研究发现种内互作时，neighbor植株能够影响focal植株的生理状态，但是底层的分子响应机制还不清楚。最近的的研究发现这种互作效应能够改变植株对病原菌的敏感性，这种现象被成为NMS（Neighbour-Modulated Susceptibility）。NMS的遗传基础及其相关的分子响应机制尚未被探索。
- 该研究中，使用Kitaake作为focal植株，另外的280个水稻品种作为neighbor植株，以Kitaake单作为对照，探究不同neighbor植株对Kitaake生物量和对稻瘟病菌的敏感性的差异。利用GWAS方法鉴定到相关的loci。此外，基于靶向转录组学，分析了focal植株与不同neighbor植株互作时易感性降低的分子响应机制。
- 该研究发现控制NMS的一个主要的locus，进一步的探索发现这个locus有着特定的表达模式。
- 该研究还发现磷（Pi）在NMS中可能有着重要的作用。
实验设计
Kitaake作为focal植株，分别与另外的280个水稻品种进行间作。测量的指标有两个：
- 生物量：三周的水稻从根冠部位剪断，37℃烘到完全干燥，然后称重。
- 抗性：接种菌株
CL26，然后测量单位面积病斑数量。
数据分析
主要的数据处理方法是混合线性模型计算BLUP（最佳线性无偏预测）值。
- Y是表型，生物量或者是单位面积病斑数量
- $\mu$是理论均值；
- $\gamma$k是试验的固定效应；
- $\alpha$i是随机的基因型效应；
- $\epsilon$ijk是残差。
最后利用lsmeans这个R包计算模型的最小二乘均值（LSmeans）。
主要结果
相比较于生物量，发病情况受到neighbor植株的影响更为强烈
从下图可以看出，不管是发病情况（A）还是生物量，Kitaake都受到neighbor植株的影响（蓝色的是单作情况）。单作条件下Kitaake单位面积病斑数是9.1个，互作情况下Kitaake单位面积病斑数量在1.2个到21.3个之间。5其中5个neighbor互作条件下Kitaake对稻瘟病的易感性增加超过2倍，35个neighbor让Kitaake的易感性降低超过2倍。单作时的平均生物量是1.31g，互作条件下的生物量从0.77g到1.68g之间不等。
进一步分析发现生物量和感病性之间没有显著的相关性：
GWAS鉴定关键的locus
通过计算遗传力（Heritability，$H^2$）发现生物量的的遗传力（0.36）比抗性的遗传力更高（0.24）。但是没有鉴定到与生物量显著相关的locus（下图）。
相反，鉴定到一个位于三号染色体上长度为251Kb的区域与抗性显著相关（下图），这个区域被命名为NMS1.
根据这个区域上SNP的类型，可以分为NMS1-1（70个品种）、NMS1-2（177个品种）和NMS1-3（32个品种）。与单作相比，NMS1-3这个单倍型的单位面积病斑数降低了20%；与另外两个单倍型相比，降低了22%.
为了进一步验证NMS1能否对NM是表型进行预测，作者从Rice 3K数据库中选择42中未测试过的温带粳稻与Kitaake进行互作测试。结果发现与另外两个单倍型相比，NMS1-3单倍型仍然可以显著降低病害发生情况。
互作条件下的转录变化
选择92个涵盖多个生物学过程的基因进行FLUIDIGM分析（下图），发现NMS1-3这个单倍型的neighbor与对照可以很明显的分开，这说明NMS1-1这个单倍型有着更明显的作用。热图进一步的分析发现三种单倍型中与处及代谢和生长相关的基因的表达量均明显降低了。意外的是，OsWRKY45, OsCHI, OsPR1B, OsPOX223, OsSPL7, OsPAL, OsPBZ1这些防御相关的基因也在一定程度上被抑制表达了。
讨论
- NMS对生物量的影响较小；
- 免疫可能不是NMS唯一的驱动因素；
- 机械防御（胼胝质或木质素沉积）和ROS等值得进行探究；
- 负向的或中性的Neighbor植株应该考虑；
- NMS1区域上的基因OsSPX5属于OsSPX基因家族，这些基因调控Pi在水稻中的吸收、专化和平衡，OsSPX5解释NMS的原因有：
- Pi过量会增加会降低水稻的抗性；
- 一个Pi相关的转运子能够介导水稻的生长-防御平衡。