Two-component regulatory system (TCS) is the dominant mechanism that controls almost physiological processes of bacteria, such as nutrition assimilation, cell motility, chemotaxis, biofilm formation, quorum sensing and virulence. The intracellular informing process by a typical TCS accompany transfer of a phosphoryl group from His of a histidine kinase (HK) to Asp of a response regulator (RR). In Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) genome, the TCS genes comprise approximately 3% of the nucleotide sequences with 58 response regulators (RRs), 32 orthodox histidine kinase (HKs) and 13 hybrid histidine kinase (HyHKs). However, there is not much understanding of RRs in Xoo except the reported RRs in Xanthomonas spp. including RpfC-RpfG, RavS-RavR, HrpG, VgrS-VgrR (also named ColS-ColR), VemR, RaxH-RaxR, and PhoQ-PhoP. Although a genome-scale mutagenesis and phenotypic characterization of TCSs were studied in Xanthomonas campestris pv. campestris ATCC 33913, there is not any genome-scale research of TCSs in Xanthomonas oryzae pv. oryzae. We have mutagenized 52 predicted RR genes in Xoo PXO99A by marker-exchange mutagenesis method and characterized the phenotype of mutants to identify RR genes involving in pathogenicity of Xoo and understand how Xoo TCSs work in given conditions. Ours investigation with the RR knock-out mutant strains have identified four novel RR genesthat are likely involved in virulence of Xoo. We have studied with these genes in molecular level to elucidate the mechanism for Xoo pathogenicity.

Bacterial blight is a serious problem of rice in irrigated and rainfed lowlands. It is caused by Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) which is represented by many pathotypes, making it difficult to control. Plant proteases are important players in immunity acting either in the execution of attack, in signaling cascade or in perception of invader. This study demonstrates the response of cysteine protease (CP) upon interaction with the pathogen. The cysteine protease encoding full-length cDNA was identified and characterized using web-based tools. Conserved domain of the gene revealed its affinity to Peptidase_CIA family. The full-length cDNA of CP in Brassica rapa was then cloned and overexpressed in rice. Insertion of gene was verified in the transformants through PCR assay. Spatiotemporal expression of the gene was performed in transgenic rice. To evaluate the resistance of CP-overexpression lines to Xoo, transgenic plants were inoculated with two races of Xoo. In planta analysis of enzymatic activity of CP was also performed before and after infection by the pathogen.

본 연구는 우리나라 벼흰잎마름병 균주에 대한 인디카형과 자포니카형의 단일 저항성 유전자의 반응과 이들의 집적 효과를 비교 분석하고 자포니카형의 유망 조합을 제시하여 향후 우리나라 환경 여건에 효과적인 저항성 품종을 육성하고자 수행하였다. 단일 저항성 유전자 계통중 Xa1, Xa3, Xa21은 생태형 간에 차이가 없었으나 Xa4와 xa5는 자포니카에 비해 인디카형에서 저항성이 강하였다. 인디카형과 자포니카형에서 모두 저항성 유전자가 집적되었을 경우에 단일 또는 두 개의 저항성 유전자에 비해 저항성이 정도가 증가하거나, 저항성 수준이 높은 유전자가 저항성 수준이 낮거나 균계 특이적 이병성을 나타내는 저항성 유전자를 보완하는 효과를 나타냈다. 자포니카형에서 새롭게 확인된 저항성 유전자 집적 조합인 Xa3+Xa21, xa5+Xa21과 Xa3+xa5+Xa21은 우리나라 우점 균주와 16개 균주에 대해서 저항성이었으며 현재 우리나라 벼흰잎마름병 저항성 육종에서 주력 저항성 조합으로 이용되고 있는 Xa3+xa5 보다 높은 수준의 저항성을 나타냈다. 이들 저항성 유전자 집적 조합은 균계 분화 등에 따른 저항성 붕괴에 안정적으로 대응할 수 있고 저항성을 효과적으로 강화할 수 있는 유망 조합으로 생각되어 자포니카 벼흰잎마름병 저항성 증진을 위한 목표 조합으로 설정하여 육종사업을 수행하겠다. 

Near-isogenic lines (NILs) carrying bacterial blight resistance genes (Xa4, xa5 and Xa21) were developed in japonica rice using Suweon345 as genetic background. NILs were selected by gene specific DNA markers and inoculation of K1 or K3a race. NILs conferring Xa4 were resistant to K1, K2, K3, and moderately resistant to K3a. NILs conferring xa5 were resistant to K1, K2, K3, and K3a. NILs having Xa21 were susceptible to K1, while resistant to K2, K3 and K3a. Target genes of NILs with the genetic background of Suweon345 were also confirmed by using eleven Philippines races and International Rice Bacterial Blight (IRBB) NILs carrying Xa4, xa5 and Xa21. All NILs had no significant difference from their recurrent parents in the major agronomic traits except for panicle length and brown rice 1,000 grain weight. Heading date of NILs ranged from Aug. 10 to Aug. 11, which was similar to that of recurrent parent, Suweon345. Culm length, number of grains per panicle and ratio of ripened grain of NILs were similar to those of Suweon345. Milled rice of NILs was ranged from 4.82 to 4.93MT/ha. These NILs will be useful for improving resistance to K3a race of bacterial blight pathogens in Korean japonica cultivars.

저항성원이 다른 7개이 근동질 저항성 계통과 감수성 품종인 Toyonishiki에서 X. oryzae pv. oryzae의 증식과 이동에 관한 시험을 실시하였다. 접종 10일 후, NIL의 접종부위 잎의 세균밀도는 약 105~106cfu/cm2 이었으나 감수성 품종인 Toyonishiki에서는 약 107cfu/cm2 로 높게 나타났다. 이와 같이 감수성 품종에서의 세균 수는 급속히 증가하였으나 NIL에서는 점차적으로 증식하였다. IRBB 103과 Toyonishiki는 접종 25일 후에 접종부위로부터 20cm 위쪽에서 세균이 검출되었으나 다른 NIL에서는 검출되지 않았다. 이와같이 Xa1, Xa4, xa5, Xa7 저항성 유전자는 세균의 이동을 크게 억제하였다.

한국 4균주와 일본 3균주에 대한 진성 저항성 유전자가 단일 혹은 복수로 집적되어 있는 근동질 저항성 유전자계통의 생육시기별 저항성 반응을 검정한 결과를 보면 다음과 같다. 1. 유묘기때, 단일 진성저항성 유전자를 갖는 근동질 유전자 계통들은 한국 균주 K1 균주에 대해 대부분 저항성 반응을 보인 반면, K2,K3 및 K3a는 이병성 반응을 보이는 계통들이 많았다. IRBB5(xa5)만이 4균주 모두에 대해 고도의 저항성을 보였다. 한편, 일본 균주 접종에 대한 반응도 한국 균주의 반응과 유사하였다. 2. 최고분얼기때, 근동질 유전자 계통들의 K1,K3a 균주에 대한 반응은 유묘기와 유사하였으며, K2,K3 균주에 대해서는 유묘기와 비교하여 중도저항성 및 저항성으로 반응하였다. 일본의 RaceI, II 균주는 대부분의 근동질 유전자 계통들이 유묘기 보다 저항성 정도가 증대 되었으나, RaceIII균주는 감수성으로 반응하였다. 모든 균주에 고도의 저항성을 보인 계통은 IRBB205(xa5), IRBB207(Xa7)이었다. 3. 출수기때, Xa1, xa8, Xa10을 보유한 계통들은 K2 균주에 이병성으로 반응하였지만, 다른 근동질 유전자 계통들은 K1,K2 및 K3 균주에 대해 고도의 저항성 반응을 보였다. 이에 반해, K3a는 Xa1, Xa2, Xa3, xa8, Xa10, Xa11 및 xa13을 보유한 계통을 가해하였다. 일본의 RaceI, II, III 균주는 최고분얼기때의 반응과 유사하였다. xa5를 갖는 IRBB5, IRBB105 및 IRBB205 계통은 모든 검정균주에 대해 저항성으로 반응하였다. 4. 2개 이상의 진성 저항성 유전자를 갖는 계통들은 벼 생육시기 전 과정에서 벼흰잎마름병균에 대해 저항성 정도가 현저하게 증가되었다. 결론적으로, 저항성의 안정화를 위해서는 Xa4, xa5, Xa7 등의 유전자의 집적이 유용할 것으로 판단된다.

We used an amplified fragment length polymorphism (AFLP) analysis, a novel PCR-based technique, to differentiate Xanthomonas oryzae pv. oryzae (Xoo) of Korean races. The 6 strains of Xoo K1, K2, K3 races were tested with 81 AFLP primer combinations to identify the best selective primers. The primer combinations were selected according to their reproducibility, number of polymorphic bands and polymorphism detected among Xoo strains. 18 strains of Xoo K1, K2 and K3 races were analyzed with the selected combinations of primer set. Some primer combinations (Eco R I +1 / Mse I+1) could differentiate Xoo of Korean races that were not distinguished by other fingerprinting analysis. Thus AFLP fingerprinting permitted very fine discrimination among different races.