新发现 | 历经十年，贾育林课题组克隆到水稻广谱抗稻瘟病新基因Ptr

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稻瘟病是水稻最主要的病害之一，全球每年因稻瘟病引起的水稻减产造成的经济损失达到六百六十亿美元，足够养活六千万人口。在美国由于药剂防治稻瘟病成本高达40美元每公顷，因而挖掘抗稻瘟病新基因、培育抗性水稻新品种一直是遗传育种学家孜孜不倦追求的主要研究目标之一。迄今，已经有30个水稻抗稻瘟病基因被克隆，而大部分基因表现为垂直抗性、抗谱较窄，且由于稻瘟病小种不断进化，AVR（无毒因子）会发生变化，相对应的抗性基因（R）往往数年后便失去抗性功能，导致稻瘟病爆发。因此，鉴定广谱抗稻瘟病新基因、培育水平、广谱抗性水稻新品种对保障全球粮食安全生产尤为重要。特别是中国在对水稻新品种审定时，对稻瘟病抗性实行 “一票否决”制度。

迄今，大部分的抗稻瘟病基因具有NLR结构域，如Pi-ta，Pi9，Pigm等，尤其以水稻第12号染色体上Pi-ta/Pi-ta2/Ptr为代表的基因簇，自从十九世纪六十年代就被全球水稻育种学家广泛使用，如美国水稻品种Katy因含有Pi-ta/Pi-ta2/Ptr基因簇，其衍生的品种在美国推广二十多年来对稻瘟病始终表现出优异的抗性。虽然早在2000年时，美国科学家贾育林博士等在Barbara Valent教授课题组做博士后期间已在The EMBO Journal 上报道 Pi-ta基因与AVR-Pita互作（本文迄今在google scholar上被引用一千多次），然而关于Pi-ta2/Ptr及其与Pi-ta的关系一直不清楚。

Jia et al., The EMBO Journal , 2000

近日，美国农业部国家水稻研究中心植物病理学家贾育林课题组在Nature Communications上在线发表了题为“The rice blast resistance gene Ptr encodes an atypical protein required for broad-spectrum disease resistance”的研究论文。该研究以快中子辐射诱变的Katy 突变体M2354和感稻瘟病品种Amane为研究材料，历经十多年，综合利用分子遗传学、植物病理学、生物信息学、生物化学等手段最终鉴定出一个结构新颖的广谱抗稻瘟病新基因Ptr。

Ptr基因与Pi-ta基因相距大约200 Kb，由于该区段位于水稻第12号染色体着丝粒处，重组受抑制，利用一万多份遗传分离群体单株，图位克隆得到Ptr基因，并通过CRISPR/Cas9 证实Ptr基因的抗病功能。同时，筛选获得的含Ptr不含Pi-ta基因的高代重组自交系也表现出稻瘟病抗性，进一步将该重组自交系与感病品种M202杂交，后代群体中含有Ptr基因的材料也均呈现稻瘟病抗性，再次验证了Ptr的抗稻瘟病功能。

尤为有趣的是，利用大量不同遗传来源的稻瘟病小种接种结果表明，Ptr的广谱抗性不依赖Pi-ta, 但Pi-ta的广谱抗性则需要Ptr，且Ptr仅特异性参与Pi-ta/Pi-ta2介导的抗性。历史上，Pi-ta/Pi-ta2基因一直是知名的抗稻瘟病基因；实际上，则是Ptr一直在背后默默支持Pi-ta/Pi-ta2行使抗稻瘟病功能。研究者进一步对已报道含有Pi-ta2基因的材料测序发现，它们都具有一致的Ptr基因型，且含有Ptr材料的抗谱与含有Pi-ta2材料的抗谱高度相似，研究者相信Ptr即为Pi-ta2，但仍需要进一步验证。

Disease reactions of Pi-ta/Pi-ta2/Ptr differential lines.

该研究同时表明，Ptr基因在水稻中组成型表达，含有多种可变剪切方式，亚细胞定位表明其编码的两种蛋白主要位于细胞质中。生物信息学发现Ptr蛋白不含通常抗病基因所有NLR结构域，而具有ARM 重复结构域，但蛋白体外试验未能发现Ptr具有与植物抗病性相关的E3泛素化功能。自然界中水稻抗、感病材料的DNA差异主要集中在Ptr基因最后一个外显子的数十个碱基处。在IRRI 3000份水稻基因组重测序材料中，仅有48份含有Ptr抗性基因型，暗示Ptr具有较大的育种利用空间。

可见，Ptr基因不仅可以帮助具有NLR结构的抗性基因Pi-ta行使抗稻瘟功能，同时Ptr自己也是一个具有广谱抗性的基因，揭示了自然界中植物抗逆性的奥妙之处。今后对植物抗病性方面的不断探索，终将让农民们种上绿色水稻而不需再施用农药，即减少经济成本也保护大自然。

赵海军博士、王雪艳博士为该论文的共同第一作者，贾育林研究员为通讯作者。该研究由美国农业部国家水稻研究中心贾育林课题组，联合阿肯色州立大学、宾夕法尼亚州立大学、俄亥俄州立大学、路易斯安那州立大学和堪萨斯州立大学合作完成。本研究得到美国农业部NIFA、农业部ARS、路易斯安那州水稻研究基金、俄亥俄州立大学等项目资助。

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