《自然》：华中农业大学李国田团队通过基因编辑创制新型水稻广谱抗病材料

2023-06-17 01:06

水稻是世界一半以上人口的主食，但生产中面临多种病害如稻瘟病、纹枯病、稻曲病、白叶枯病等的危害。培育抗病品种是防治病害最经济有效的防治措施，但一般抗病基因只针对某个病原菌的一些菌系，不能对其他病原菌产生抗性。因此，发掘对不同病原菌的抗病资源或技术途径具有重要的育种价值。

北京时间2023年6月14日，国际顶级学术期刊Nature在线发表了华中农业大学植物科学技术学院李国田教授课题组与美国加州大学戴维斯分校Pamela C. Ronald课题组题为“Genome editing of a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance”的研究论文。

该研究将人工诱变技术与全基因组测序技术相结合，成功克隆水稻广谱抗病的关键调控基因RBL1，并通过基因编辑创制了新型水稻广谱抗病材料。研究团队在构建的水稻突变体库中筛选到一个对稻瘟病菌和白叶枯菌都具有良好抗性的类病斑突变体rbl1。基因定位克隆和功能验证证明RBL1基因编码CDP-DAG合成酶，参与胞苷二磷酸-二酰甘油合成。体外补充磷脂酰肌醇以及过表达磷脂酰肌醇合成酶基因OsPIS1能够部分回补rbl1突变体的表型，表明RBL1通过调控磷脂酰肌醇的生物合成来控制程序性细胞死亡和免疫。

进一步分析显示，rbl1突变体细胞膜PI(4,5)P2含量较野生型显著减少。同时发现，水稻PI(4,5)P2在稻瘟病菌侵染时被招募到侵染菌丝周围，并在稻瘟病菌效应蛋白分泌结构中富集，作者同时统计了野生型和突变体中BIC形成情况，发现rbl1突变体中BIC形成率相比野生型明显下降，并且侵染菌丝周围的PI(4,5)P2荧光强度也明显减弱，这些结果表明PI(4,5)P2在水稻-稻瘟病菌互作中发挥重要作用（图1）。可进一步推测，抑制或破坏病原菌特异侵染结构的形成可能是平衡产量和免疫的一种新策略。

图1. RBL1工作模型

rbl1类病斑突变体株系虽具广谱抗病性但产量极低，研究团队通过对RBL1基因编码区多位点进行编辑，创制了一个整码编辑新基因RBL1^Δ12，rbl1^Δ12株系只在成株期呈现微弱的类病斑表型。研究发现，RBL1^Δ12基因显著增强了水稻对不同地区分离的10个稻瘟菌、5个白叶枯菌和2个稻曲菌生理小种的抗性。大田试验分析发现，rbl1^Δ12株系稳产且具有显著的抗稻瘟病能力，在稻瘟病害严重发生时能够挽救约40%产量损失（图2）。因此RBL1^Δ12在抗病育种中展现出巨大应用潜力。初步研究表明该基因在不同作物如小麦、玉米等作物中高度保守，也为小麦、玉米等粮食作物抗病育种提供了借鉴。该研究模式也为类病斑突变体储备资源的利用提供了借鉴。该研究成果对扩大抗病基因来源，推动作物抗病育种、植物病害绿色防控，保障国家粮食安全有重要意义。

值得一提的是，Nature特邀作者以Research Briefing形式对该成果进行科普性报道，并得到国内外同行高度评价。

图2. rbl1^Δ12株系抗病性显著增强

华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室李国田教授和加州大学戴维斯分校/劳伦斯伯克利国家实验室Pamela C. Ronald院士为该论文共同通讯作者。李国田教授团队博士研究生沙干、孙鹏为本论文共同第一作者，课题组多位学生参与。

西北农林科技大学康振生院士、法国波尔多大学Yohann Boutté教授、作物遗传改良全国重点实验室郭亮教授、李强教授和谢卡斌教授、江西省农业科学院水稻研究所黄仁良副研究员、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室郑露副教授、深圳华大生命科学研究院丘璨瑜副研究员、山东省农科院徐建第研究员、澳大利亚阿德莱德大学Jenny Mortimer教授等国内外科研机构合作者参与研究。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06205-2

李国田教授课题组现主要结合人工智能和蛋白设计深度挖掘和合理设计作物抗病，实验体系成熟，材料丰富，正处于高产期。

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来源：小柯生命

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