北京時間2023年6月14日23點，Nature（《自然》)雜志發表了華中農業大學李國田教授團隊牽頭完成的題為“Genome editing of a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance”的研究成果。團隊克隆到一個廣譜抗病類病斑突變體基因RBL1，并通過基因編輯創制了增強作物廣譜抗病性且穩產的新基因RBL1Δ12，該基因在作物中高度保守，與傳統抗病基因相比，可打破物種界限、普適性更強，具有巨大抗病育種應用潛力。
6月15日上午，華中農業大學重大科研成果學術報告會在該校農業微生物資源發掘與利用全國重點實驗室舉行。該團隊主要負責人李國田教授介紹了相關研究背景、創新點、研究意義，給在場的觀眾普及了一堂生動的“水稻課”。
(資料圖)
李國田教授介紹項目研究背景。記者 黃培 攝
歷時10年！探究水稻抗“癌”又穩產的秘密
水稻是全球重要的糧食作物之一，生產上常受稻瘟病、稻曲病、白葉枯病等多種病害威脅。稻瘟病被稱為“水稻癌癥”，廣泛分布于世界各稻區，是一種毀滅性的真菌病害，全球每年因稻瘟病造成的產量損失達數千萬噸。培育種植廣譜抗病品種是實現稻瘟病綠色防控最經濟有效的措施，對保障我國和全球的糧食安全具有重要意義。類病斑突變體材料可在沒有病原菌侵染的情況下自發產生超敏反應壞死斑，具有廣譜抗病性，但產量較低，限制了類病斑突變體基因在作物抗病育種中的應用。
團隊主要負責人李國田教授。學校供圖
華中農大團隊前期聯合加州大學戴維斯分校等研究團隊，在全基因組測序的水稻突變體庫中篩選到一個對稻瘟病菌和白葉枯菌都具有良好抗性的類病斑突變體株系rbl1，其突變基因RBL1編碼一個胞苷二磷酸-二酰甘油合成酶。體外補充磷脂酰肌醇及過表達磷脂酰肌醇合成酶基因OsPIS1可部分回補rbl1突變體表型，表明RBL1基因通過調控磷脂酰肌醇的生物合成調控細胞程序性死亡和免疫。
進一步分析顯示，rbl1突變體細胞膜PI(4,5)P2含量較野生型顯著減少。同時發現，水稻PI(4,5)P2在稻瘟病菌侵染時被招募到侵染菌絲周圍，并在稻瘟病菌效應蛋白分泌結構中富集，證明PI(4,5)P2在水稻-稻瘟病菌互作中發揮重要作用（圖一）。可進一步推測，抑制或破壞病原菌特異侵染結構的形成可能是平衡產量和免疫的一種新策略。
圖一 RBL1工作模型
rbl1類病斑突變體株系雖具廣譜抗病性但產量極低，研究團隊通過對RBL1基因編碼區多位點進行編輯，創制了一個新基因RBL1Δ12，rbl1Δ12株系只在成株期呈現微弱的類病斑表型。研究發現，RBL1Δ12基因顯著增強了水稻對不同地區分離的10個稻瘟菌、5個白葉枯菌和2個稻曲菌生理小種的抗性。大田試驗分析發現，rbl1Δ12株系穩產且具有顯著的抗稻瘟病能力，在稻瘟病害嚴重發生時能夠挽救約40%產量損失（圖二）。
投稿556天發表論文 團隊成員分享科研背后的故事
團隊主要成員介紹項目情況。記者 黃培 攝
“要做有組織的科研”“眾人拾柴火焰高，感謝團隊內外的力量”“科研與藝術很有意思”……論文共同第一作者博士研究生沙干和孫鵬在報告會現場講了在論文準備過程中的艱辛和精彩，“在研究和論文準備過程中，我們除了撰寫很多的材料和數據案例，還通過鏡頭角度來體現差異，讓更多的公眾直觀了解到項目的意義和價值。”
據了解，該基因在作物中高度保守，經研究團隊初步測試，該基因在小麥抗銹病和紋枯病上也有顯著效果，進一步證明其在作物抗病育種中的巨大應用潛力，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。該研究成果對擴大抗病基因來源，推動作物抗病育種、植物病害綠色防控，保障國家糧食安全有重要意義。
圖二 rbl1Δ12株系抗病性強且產量穩定
農業微生物資源發掘與利用全國重點實驗室、湖北洪山實驗室李國田教授和加州大學戴維斯分校、勞倫斯伯克利國家實驗室Pamela C. Ronald院士為該論文共同通訊作者。李國田教授團隊博士研究生沙干、孫鵬為本論文共同第一作者，課題組多位學生共同參與了此項研究。該研究得到國家重點研發、自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金、雜交水稻國家重點實驗室開放研究基金等的資助。西北農林科技大學康振生院士、法國波爾多大學Yohann Boutté教授、作物遺傳改良全國重點實驗室郭亮教授、李強教授和謝卡斌教授、江西省農業科學院水稻研究所黃仁良副研究員、農業微生物資源發掘與利用全國重點實驗室鄭露副教授、深圳華大生命科學研究院丘璨瑜副研究員、山東省農科院徐建第研究員、澳大利亞阿德萊德大學Jenny Mortimer教授等國內外科研機構科研工作者參與了合作研究。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06205-2
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