水稻广谱与持久抗稻瘟病研究取得重大进展

邓一文

[本刊讯]中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所何祖华研究组与合作者成功克隆了持久广谱抗稻瘟病基因Pigm，并揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制。研究成果于2017年2月2日在线发表于美国Science杂志。

稻瘟病是由真菌Magnaportheoryzae引起的，是水稻最重要的病害之一。稻瘟病分布于中国乃至世界各稻区，可引起水稻大幅减产，严重时减产40%～50%，甚至颗粒无收，因此我国水稻新品种审定从2008年开始实行稻瘟病抗性的“一票否决”制。控制该病害最经济有效的方法是发掘和利用新的广谱持久抗病资源，选育广谱抗病新品种。至今已克隆出25个抗稻瘟病基因，由于绝大部分基因的抗病谱较窄，带有这些基因的抗病品种一般推广3年后，就因稻瘟病病菌变异导致品种抗性丧失，无法继续应用。另一方面，采用抗病基因聚合方法虽可提高水稻抗病性，但由于存在抗性代价问题，往往会影响水稻产量和品质。

2002年开始，研究团队与育种专家合作，广泛筛选抗瘟种质。从起源于我国农家品种的育种材料中鉴定出一个广谱持久抗瘟性新位点Pigm。采用分子遗传学、分子生物学、生物化学和细胞生物学等手段，系统解析了该位点的持久抗病机制。研究发现，Pigm是一个包含多个NBS-LRR类（核苷酸结合位点一富含亮氨酸重复）抗病基因的基因簇，其中只有2个基因能产生具功能的蛋白PigmR和PigmS。PigmR在水稻的叶、茎秆、穗等处表达，且可自身互作，形成同源二聚体，发挥广谱抗病作用，但会导致水稻千粒重降低，产量下降。相反，PigmS受到表观遗传的调控，仅在水稻花粉中特异性地高表达，在叶、茎秆等病原菌侵染的部位表达量很低，但可提高水稻结实率，抵消PigmR对产量的影响。PigmS可与PigmR竞争，通过形成异源二聚体抑制PigmR介导的广谱抗病作用，为病原菌提供了一個“避难所”，病原菌的进化选择压力变小，减缓了病原菌对PigmR的致病性进化，因此Pigm介导的抗病具有持久性。利用Pigm改良选育的品种既有广谱持久抗病性又不影响产量，该基因已被国内30多家种子公司和育种单位应用于水稻抗病分子育种，已有新品种参加区试和品种审定。因此，该研究不仅在理论上扩展了植物免疫与抗病性机制的认识，也为作物抗病育种提供了有效的新工具。