水稻是我國的一種重要糧食作物，目前我國種植的水稻產(chǎn)量基本上能滿足人們的生活需求，目前水稻品種的產(chǎn)量都很高。水稻常見病害有稻瘟病、胡麻斑病、細(xì)菌性褐斑病、赤枯病、白葉枯病、條斑病等。培育抗病品種是防治病害最經(jīng)濟(jì)有效的防治措施，但一般抗病基因只針對某個(gè)病原菌的一些菌系，不能對其他病原菌產(chǎn)生抗性。因此，發(fā)掘?qū)Σ煌≡目共≠Y源或技術(shù)途徑具有重要的育種價(jià)值。

2023年6月14日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院李國田教授課題組與加州大學(xué)戴維斯分校Pamela C. Ronald院士課題組合作在Nature在線發(fā)表了題為“Genome editing of a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance”的研究論文，創(chuàng)制了新型作物廣譜抗病基因。Nature特邀作者以Research Briefing形式對該成果進(jìn)行科普性報(bào)道，并得到國內(nèi)外同行高度評價(jià)。

該研究將人工誘變技術(shù)與全基因組測序技術(shù)相結(jié)合，克隆到水稻廣譜抗病的關(guān)鍵調(diào)控基因RBL1，并通過基因編輯創(chuàng)制了新型水稻廣譜抗病材料。研究團(tuán)隊(duì)在構(gòu)建的水稻突變體庫中篩選到一個(gè)對稻瘟病菌和白葉枯菌都具有良好抗性的類病斑突變體rbl1。基因定位克隆和功能驗(yàn)證證明RBL1基因編碼CDP-DAG合成酶，參與胞苷二磷酸-二酰甘油合成。體外補(bǔ)充磷脂酰肌醇以及過表達(dá)磷脂酰肌醇合成酶基因OsPIS1能夠部分回補(bǔ)rbl1突變體的表型，表明RBL1通過調(diào)控磷脂酰肌醇的生物合成來控制程序性細(xì)胞死亡和免疫。進(jìn)一步分析顯示，rbl1突變體細(xì)胞膜PI(4,5)P2含量較野生型顯著減少。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，水稻PI(4,5)P2在稻瘟病菌侵染時(shí)被招募到侵染菌絲周圍，并在稻瘟病菌效應(yīng)蛋白分泌結(jié)構(gòu)中富集，作者同時(shí)統(tǒng)計(jì)了野生型和突變體中BIC形成情況，發(fā)現(xiàn)rbl1突變體中BIC形成率相比野生型明顯下降，并且侵染菌絲周圍的PI(4,5)P2熒光強(qiáng)度也明顯減弱，這些結(jié)果表明PI(4,5)P2在水稻-稻瘟病菌互作中發(fā)揮重要作用（圖1）。可進(jìn)一步推測，抑制或破壞病原菌特異侵染結(jié)構(gòu)的形成可能是平衡產(chǎn)量和免疫的一種新策略。

圖1. RBL1工作模型

rbl1類病斑突變體株系雖具廣譜抗病性但產(chǎn)量極低，研究團(tuán)隊(duì)通過對RBL1基因編碼區(qū)多位點(diǎn)進(jìn)行編輯，創(chuàng)制了一個(gè)整碼編輯新基因RBL1Δ12，rbl1Δ12株系只在成株期呈現(xiàn)微弱的類病斑表型。研究發(fā)現(xiàn)，RBL1Δ12基因顯著增強(qiáng)了水稻對不同地區(qū)分離的10個(gè)稻瘟菌、5個(gè)白葉枯菌和2個(gè)稻曲菌生理小種的抗性。大田試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，rbl1Δ12株系穩(wěn)產(chǎn)且具有顯著的抗稻瘟病能力，在稻瘟病害嚴(yán)重發(fā)生時(shí)能夠挽救約40%產(chǎn)量損失（圖2）。因此RBL1Δ12在抗病育種中展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。初步研究表明該基因在不同作物如小麥、玉米等作物中高度保守，也為小麥、玉米等糧食作物抗病育種提供了借鑒。該研究模式也為類病斑突變體儲備資源的利用提供了借鑒。該研究成果對擴(kuò)大抗病基因來源，推動(dòng)作物抗病育種、植物病害綠色防控，保障國家糧食安全有重要意義。

圖2.rbl1Δ12株系抗病性顯著增強(qiáng)

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物資源發(fā)掘與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、湖北洪山實(shí)驗(yàn)室李國田教授和加州大學(xué)戴維斯分校/勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室Pamela C. Ronald院士為該論文共同通訊作者。李國田教授團(tuán)隊(duì)博士研究生沙干、孫鵬為本論文共同第一作者，課題組多位學(xué)生參與。西北農(nóng)林科技大學(xué)康振生院士、法國波爾多大學(xué)Yohann Boutté教授、作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郭亮教授、李強(qiáng)教授和謝卡斌教授、江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院水稻研究所黃仁良副研究員、農(nóng)業(yè)微生物資源發(fā)掘與利用全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄭露副教授、深圳華大生命科學(xué)研究院丘璨瑜副研究員、山東省農(nóng)科院徐建第研究員、澳大利亞阿德萊德大學(xué)Jenny Mortimer教授等國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)合作者合作完成。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06205-2