Science突破！陈学伟、李家洋等团队合作揭示水稻产量与抗病性协同调控机制

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作物病害严重影响作物生长，造成产量损失，并威胁粮食安全。抗病性强的作物品种可以有效的控制病害，然而高抗性经常以“牺牲”产量为代价【1,2】。因此，培育既抗病又高产的品种对于保障粮食作物安全生产具有重要意义。2018年9月7日，四川农业大学陈学伟团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队以及加州大学戴维斯分校Pamela Ronald团队在Science杂志在线发表了题为“A single transcription factor promotes both yield and immunity in rice”的研究论文，报道了在水稻产量与抗病协同调控机制研究中的最新进展。该研究发现了水稻理想株型建成的关键基因IPA1在水稻稻瘟病抗病过程中的作用，并揭示了IPA1既能提高产量又能提高水稻对稻瘟病的抗性的调控新机制。

培育高产抗病品种是水稻等粮食作物安全生产的重要保障。传统观点认为，植物抗病与产量之间存在此消彼长的关系，犹如鱼与熊掌不可兼得。植物受到病原菌侵害时，为达到生存目的，会优先将物质能量代谢用于抵御病害，其不利结果是使植物发育受阻。深入解析水稻发育与抗性的协同调控机制，对于培育高产高抗水稻品种具有重要意义。近年来，虽然已报道了多个基因在提高植物抗性的同时不影响产量。但是，同时增加植物的产量并提高抗性的单个基因尚未报道。

IPA1 (Ideal Plant Architectutre1) 编码植物所特有的SPL（SQUAMOSA promoter binding protein-like）转录因子家族成员OsSPL14，可以直接结合并激活发育相关基因如DEP1（Dense and Erect Panicle 1）的表达，是水稻理想株型建成的核心元件之一【3-5】。IPA1的功能获得性突变体植株具有茎秆粗壮、无效分蘖数减少、穗子变大、产量增加等优良农艺性状【4】，该基因已应用于培育“嘉优中科”系列高产抗病水稻新品种。

嘉优中科10号 （来源：农业机械化、智能化背景下的杂交水稻研究展望【6】）

在这项最新的研究中，研究人员发现，IPA1不仅能增加水稻产量，还可以提高水稻对稻瘟病的抗性。进一步研究发现，IPA1的磷酸化修饰是平衡产量与抗性的关键调节枢纽。IPA1受稻瘟病菌诱导磷酸化，该磷酸化能改变IPA1与DNA序列的结合特性。通常情况下，IPA1结合DEP1等穗发育相关基因的启动子，促进其表达，负责水稻理想株型的建成，调控水稻产量；而受稻瘟病菌诱导磷酸化后的IPA1更倾向于结合抗病相关基因WRKY45的启动子，促进其表达，增强免疫反应，提高抗病性。

该研究进一步发现，在稻瘟病菌侵染6至12小时，水稻体内IPA1的磷酸化受诱导程度达到峰值，随后逐渐降低，并在24至48小时后恢复到正常水平。这个结果表明，水稻体内的免疫系统被激活后，IPA1很快恢复到低磷酸化状态，以保证水稻发育的正常进行。

图 ：水稻转录因子IPA1促进高产和提高抗病性的模式

综上所述，IPA1在正常条件下促进生长发育，而在稻瘟病菌侵染时受诱导磷酸化提高免疫反应（图），这一机制既能增加水稻产量又能提高稻瘟病抗性，打破了单个基因不可能同时实现增产和抗病的传统观点，为高产高抗育种提供了重要理论基础和实际应用新途径。

四川农业大学副研究员王静、硕士研究生周练、石辉、美国戴维斯分校Mawsheng Chern博士和中国科学院遗传与发育生物学研究所的余泓副研究员为该论文第一作者；陈学伟研究员、李家洋研究员和王静副研究员为论文通讯作者。该项目受到来自国家自然科学基金委、教育部新世纪优秀人才计划和科技部重点研发计划（主要农作物抗病虫抗逆性状形成的分子基础）等的经费资助。

该成果是陈学伟团队继2017年6月在Cell报道了水稻新型广谱持久抗病的分子机理之后又一重要成果。值得一提的是，Cell发表的关于水稻新型广谱抗病遗传基础发现与机制解析这一成果入选2017年度“中国生命科学十大进展”。

参考资料：

1. J. K. Brown, A cost of disease resistance: paradigm or peculiarity?. TRENDS GENET. 19, 667-671 (2003).

2. R. Nelson et al., Navigating complexity to breed disease-resistant crops. NAT. REV. GENET. 19, 21-33 (2018).

3. Y. Jiao et al., Regulation of OsSPL14 by OsmiR156 defines ideal plant architecture in rice. NAT. GENET. 42, 541-544 (2010).

4. K. Miura et al., OsSPL14 promotes panicle branching and higher grain productivity in rice. NAT. GENET. 42, 545-549 (2010).

5. Z. Lu et al., Genome-wide binding analysis of the transcription activator ideal plant architecture1 reveals a complex network regulating rice plant architecture. PLANT CELL 25, 3743-3759 (2013).

6.农业机械化、智能化背景下的杂交水稻研究展望，BioArtPlants（2017）

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