PNAS：四川农大陈学伟团队揭示水稻广谱抗性调控新机制

水稻是世界上最重要的粮食作物之一，有超过一半的人口以它为主食。同时水稻也是我国种植面积最大的粮食作物，其产量关乎着我国的粮食安全。然而近年来，由于受生产方式的转变、遗传背景的单一性以及生态环境的恶化等多种因素影响，水稻病害越发严重，已经成为水稻生产过程中主要的制约因素，而目前稻瘟病位于水稻三大病害（稻瘟病、白叶枯、纹枯病）之首。虽然人类在长期的农业生产中选择出少量具有广谱抗性的水稻材料，但是很多抗性材料的广谱抗性调控机制还不为人知。自然界中存在着大量具有稻瘟病菌抗性的资源，因此，发掘抗性资源、解析抗病机制并指导抗病品种选育才是抗病育种开展的基础。




2018年2月5日，四川农业大学水稻重大病害抗性机制与应用实验室陈学伟教授团队在美国科学院院刊PNAS上在线发表了题为“Loss-of-function of a rice TPR-domain RNA-binding protein confers broad-spectrum disease resistance”的研究论文。该研究是继2017年陈学伟课题组发现具有广谱持久抗性的天然变异位点bsr-d1（Li et al., Cell, 2017）之后，又成功克隆了一个对水稻稻瘟病和白叶枯病均具有广谱抗性的隐性基因，bsr-k1。




图1. bsr-k1突变体在田间对天然稻瘟病具有抗病性

在本研究中，陈学伟团队通过人工化学诱变筛选到一株抗性相对于野生型Kitaake显著提高的突变体，命名为bsr-k1（broad-spectrum resistance Kitaake-1）。通过定位克隆，发现在该突变体中，位于10号染色体上的Bsr-k1基因发生了一个碱基突变，导致氨基酸序列编码提前终止，从而使该蛋白丧失功能。有趣的是，其等位基因Bsr-k1编码一个TPR蛋白，具有RNA绑定活性，能够绑定免疫反应相关的OsPAL基因家族多数成员的mRNA（OsPAL1-7），从而促进这些基因的mRNA在水稻体内的折叠降解，减少木质素合成，削弱抗病性。当BSR-K1蛋白功能缺失后，其丧失了RNA绑定活性，从而导致了免疫反应相关的OsPAL家族基因mRNA在水稻体内的积累，木质素合成增多，增强免疫反应，进而赋予水稻的广谱抗性。水稻bsr-k1中激活的免疫反应相对比较温和，对水稻的主要农艺性状没有明显影响，但又足够抵抗病原物的侵害。这一机制的发现对抗病理论研究和育种应用具有重要的参考价值。


图2. 机制模型示意图

该研究由四川农业大学陈学伟带领的水稻重大病害抗性机制与应用团队主导，在“国家自然科学基金”、 “国家重点研发计划--七大农作物育种”、“国家转基因生物新品种培育重大专项”、“教育部新世纪优秀人才计划”、“四川省百人计划”等的资助下，联合加州大学戴维斯分校、中国科学院遗传与发育生物学研究所等国内外科研机构合作完成。陈学伟团队中的周晓钢博士、硕士研究生廖海澄、加州大学戴维斯分校Mawsheng Chern博士和陈学伟团队中的尹俊杰博士为本论文的共同第一作者。通讯作者为四川农业大学水稻所陈学伟教授。

原文链接：www.pnas.org/content/early/2018/01/30/1705927115

陈学伟教授简介

陈学伟，四川农业大学特聘教授，研究员，博士生导师，校学术委员会副主任，作物重大病害四川省高校重点实验室执行主任，国家高层次人才特殊支持计划“万人计划”科技创新领军人才，国家科技部“创新人才推进计划”中青年科技创新领军人才，教育部“新世纪优秀人才”，四川省海外引进“千人计划”特聘专家，四川省学术与技术带头人，成都市政府特殊津贴获得者。1997年大学本科毕业于四川农业大学，2000年硕士研究生毕业于四川农业大学，2003年博士研究生毕业于中国科学院遗传与发育生物所，后在中国科学院遗传与发育生物所从事一年研究工作。于2004年赴美国加利福利亚大学国际著名实验室从事水稻抗病分子机理研究和应用工作7年。于2011年回国就职于四川农业大学水稻研究所继续从事水稻重大病害理论与应用研究。在Cell、PNAS、Autophagy、PLoS Genetics、Molecular Plant等主流杂志上发表论文50余篇，申请获得专利多项。将抗病理论研究应用于水稻抗病育种实践中，与其他育种专家合作育成了杂交水稻抗病骨干亲本多份及杂交水稻抗病新品种20余个，其中包括国家审定品种7个，取得了显著社会经济效益。

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