蔗糖作为植物重要的能源和信号分子,其在组织中的利用需要先裂解形成已糖。这一过程受到蔗糖合酶(Sucrose synthase, SuSy)和蔗糖转化酶(Invertase, Inv)的调控。与蔗糖合酶可逆催化蔗糖(Sucrose, Suc)裂解形成尿苷二磷酸葡萄糖(Glucose, Glu)和果糖(Frutcose, Fru)不同,蔗糖转化酶不可逆的催化蔗糖裂解形成葡萄糖和果糖,这在植物器官建成、糖分运输、韧皮部卸载及调节“库”(sink)组织糖分构成中发挥重要作用。细胞壁蔗糖转化酶(cell-wall invertase, cw-Inv)在植物生长发育和抵抗各种胁迫中有很重的作用,已经有很多实验证明蔗糖转化酶可以受生物和非生物胁迫的诱导,进而激发植物的防卫反应。在本研究中我们验证了水稻细胞壁蔗糖转化酶GIF1/OsCIN2可以被真菌和细菌病原菌诱导,同时转基因植株增加了对水稻白叶枯病菌(Xanthomonas oiyzae pv oiyzae, Xoo)和稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae, M. oryzae)的抗性。当植物受到病原菌侵染后,细胞壁是病原菌侵染的第一个物理障碍,植物体也是通过自身对细胞完整性的检测很快地激发防卫反应来减少病原菌的侵染及病斑的扩展。在研究中发现gif1(grain incomplete filling)突变体容易感染仓储病害(Rhizopus sp.; Alternaria sp.),同时基因芯片和RT-PCR分析发现有关细胞壁合成的一些基因在突变体中受到调节。此外,在细胞学观察中也发现,与野生型相比,突变体颖壳细胞壁明显变薄,这很可能是对仓储病害敏感的原因之一在此基础上,我们构建了GIF1/OsCIN2基因的转基因植株,当植株受到白叶枯病菌侵染后,与野生型相比,侵染部位的细胞壁在GIF1/OsCIN2转基因植株中明显变厚。纤维素(cellulose)是植物细胞壁的重要组成部分,通过化学抑制或是遗传调控影响纤维素的合成或含量都可能调节植物对病原菌的抗性。我们研究发现突变体中纤维素含量有所降低,而在转基因植株中纤维素含量有显著的增加,这些变化在增加植株抗病性也可能起到了一定的作用。此外,木糖(xylose, xyl)在植物抗病中也有很重要的作用,我们也证实了转基因植株细胞壁中木糖的含量有明显的增加。植物在抗病过程中除了自身已有的物理防御机制外,可以诱导产生很多抗病物质来抵抗病原菌的侵染,例如胼胝质(callose)的积累、细胞壁乳突(cell wallpositions,CWAs; papillae)的产生、过氧化氢(H202)的产生等等。我们在研究GIF1/OsCIN2抗病过程中发现,当接水稻白叶枯病菌、稻瘟病菌后,与野生型相比,在转基因植株的侵染部位可以明显观察到胼胝质的积累。同时我们也发现在转基因植株中有许多自噬小体(autophyage bodies)的产生,而在稻瘟病菌侵染的部位有菌丝诱导的细胞壁乳突(CWAs)的形成。此外,我们也发现在转基因植株抗病过程中有H202的积累和细胞程序性死亡(Programmed Cell Death, PCD)的发生。植物防卫反应需要消耗大量的能量,因此植物细胞的营养平衡尤其是糖代谢对植物抵抗外界生物胁迫起着重要的作用。在植物受到病原菌侵染后,在侵染部位会有短暂的“源”(source)和“库”(sink)的转换、防卫基因的诱导和光合基因的抑制,这种转换可以进一步激发植物的防卫反应,让植物产生抗病性。gif1突变植株的穗部容易被仓储病害侵染,已有的试验结果也表明突变体的体内糖分运输已经受到破坏,在突变体颖壳中蔗糖、果糖和葡萄糖的含量明显降低,从而导致突变体颖壳细胞壁变薄。GIF1/OsCIN2转基因植株中这三种糖的含量明显增加,这种高糖信号也可能是激发植物防卫反应的原因之一。同时我们也验证了转基因植株中防卫基因和光合作用相关基因的表达,发现防卫基因表达量明显上调而光合基因的表达受到了抑制。本研究表明水稻细胞壁蔗糖转化酶GIF1/OsCIN2介导的糖分代谢途径在水稻物理抗性和诱导抗性上具有重要的调节功能,从而把能量代谢和植物防卫反应调控联系起来,提供了一个可以深入研究的遗传与生化的禾本科作物模型。