超越杂交水稻，基因编辑成功创造出广谱抗白叶枯病水稻

2019年10月28日，美国密苏里大学杨兵课题组与德国杜塞尔多夫大学Wolf B. Frommer课题组合作，在

Nature Biotechnology 杂志同期发表两篇论文。该两项研究通过修饰水稻中多个OsSWEET基因启动子培育了

广谱抗白叶枯病水稻，此外，为了增强抗性的持久性和管理能力，还开发了一种试剂盒来追踪该病原菌及其毒力和抗性等位基因等。

鉴于该研究的的重要性，Nature Biotechnology 杂志同时刊登了题为“A SWEET solution to rice blight”的评论文章，认为这两项研究为水稻抗白叶枯病提供了有力的策略。

值得一提的是，2019年10月，Molecular Plant 杂志在线发表来自上海交通大学农业与生物学院陈功友教授课题组题为：Engineering broad-spectrum bacterial blight resistance by simultaneously disrupting variable TALE-binding elements of multiple susceptibility genes in rice 的研究论文。该研究报道了类似的研究结果，可见基因编辑技术在保障和改良禾谷类粮食作物产量品质中具有重大的应用前景。

水稻白叶枯病是水稻三大病害之一，是危害水稻生产的头号细菌“杀手”，该病由稻黄单胞菌白叶枯致病变种

(Xanthomonasoryzaepv.oryzae，Xoo)引起的。水稻白叶枯病通常导致水稻减产10~20%，发生严重的地区可达50%以上，甚至是绝收。

水稻白叶枯病研究表明，Xoo中转录因子类似效应蛋白(TALE)是一类重要的毒性因子，其通过III型分泌系统进入水稻细胞后结合到特定感病基因 (Susceptiblegene,简称S基因)启动子区的效应子结合元件EBE序列而激活S基因的表达。这类S基因已知共分为两类：第一类是水稻SWEET第三亚族的基因Xa13/OsSWEET11、Xa25/OsSWEET13和11N3/OsSWEET14等，该类蛋白被白叶枯病菌的效应蛋白调控表达而引起水稻感病,它们相应的隐性基因xa13、xa25、xa41(t)则由于启动子的变异而逃避了病原菌的调控,成为一种特殊的隐性抗病基因（如下图）。

第二类是转录因子类，如bZIP转录因子(OsTFX1)及TFIIA转录复合体的小亚基(OsTFIIAγ1)等。因此，通过基因编辑手段可以编辑SWEET第三亚族的基因启动子可以使水稻对白叶枯病具有广谱抗性。

在杨兵课题组的文章中，研究对33个亚洲和30个非洲分离株中Xoo TALE多样性进行了广泛的调查，并对856个不同的TALE进行了测序。研究发现亚洲分离株中的TALE拷贝比非洲分离株中的TALE拷贝多。之后该研究通过使用CRISPR-Cas9基因编辑技术在被病原体TALE识别SWEET11，SWEET13和SWEET14等三个基因的启动子上的EBE中引入突变。研究表明编辑已知的SWEET EBE将赋予水稻对细菌性白叶枯病广泛的抵抗力。此外，通过应用了多重基因组编辑方法来系统地干扰所有已知的主要TALE EBE的SWEET基因诱导，并设计了对目前所有已知的Xoo菌株具有抗性的Kitaake水稻品系（如下图）。

因此，该研究策略建立在对控制宿主与病原体相互作用的机制的深刻理解之上，预计将被用于发展其他农作物的广谱抗病性。

而在Wolf B. Frommer课题组文章中，该研究开发了一种名为SWEETR v 1.0的诊断工具包，用于分析水稻枯萎病病原体的田间菌株，预测Xoo TAL效应子靶向的SWEET基因以及定制将抗性变异体引入水稻品种。该工具集包括一个SWEET启动子数据库（SWEETpDB）；SWEETup qRT-PCR引物; 3条SWEETacc rice tester lines；单和组合的SWEETko敲除突变体； 位于无R基因的Kitaake背景中SWEETpR tester lines；基于Web的SWEET PathoTracer决策工具；以及32个无trans基因的EBE编辑的lines稻大品种IR64和Ciherang-Sub1。

该工具包旨在促进对Xoo种群的系统基因组分析，评估抗性的功效，并加速抗白叶病水稻系的开发和部署（如下图b）。

该两篇论文提供了水稻抗白叶枯病的有效策略。另外用于抗白叶枯病水稻开发的诊断试剂盒，以及经基因组编辑的SWEET R-line，将可用于追踪病原体的进化并选择携带所需抗性基因的合适供体，并通过基因编辑辅助育种方法转化为新品种。

因此，这两个研究对正在进行大规模种质收集的基因组测序的许多其他农作物将有所帮助，并且可以使用类似的策略来开发基因组编辑的品系和试剂盒，以帮助管理当前和未来的病害。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0267-z

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0268-y

https://www.nature.com/articles/s41587-019-0302-0