专家点评Nature | 华中农业大学李国田团队牵头创制新型作物广谱抗病基因

水稻是世界一半以上人口的主食，但生产中面临多种病害如稻瘟病、纹枯病、稻曲病、白叶枯病等的危害。培育抗病品种是防治病害最经济有效的防治措施，但一般抗病基因只针对某个病原菌的一些菌系，不能对其他病原菌产生抗性。因此，发掘对不同病原菌的抗病资源或技术途径具有重要的育种价值。

2023年6月14日，华中农业大学植物科学技术学院李国田教授课题组与加州大学戴维斯分校Pamela C. Ronald院士课题组合作在Nature在线发表了题为“Genome editing of a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance”的研究论文，创制了新型作物广谱抗病基因。Nature特邀作者以Research Briefing形式对该成果进行科普性报道，并得到国内外同行高度评价。

该研究将人工诱变技术与全基因组测序技术相结合，克隆到水稻广谱抗病的关键调控基因RBL1，并通过基因编辑创制了新型水稻广谱抗病材料。研究团队在构建的水稻突变体库中筛选到一个对稻瘟病菌和白叶枯菌都具有良好抗性的类病斑突变体rbl1。基因定位克隆和功能验证证明RBL1基因编码CDP-DAG合成酶，参与胞苷二磷酸-二酰甘油合成。体外补充磷脂酰肌醇以及过表达磷脂酰肌醇合成酶基因OsPIS1能够部分回补rbl1突变体的表型，表明RBL1通过调控磷脂酰肌醇的生物合成来控制程序性细胞死亡和免疫。进一步分析显示，rbl1突变体细胞膜PI(4,5)P2含量较野生型显著减少。同时发现，水稻PI(4,5)P2在稻瘟病菌侵染时被招募到侵染菌丝周围，并在稻瘟病菌效应蛋白分泌结构中富集，作者同时统计了野生型和突变体中BIC形成情况，发现rbl1突变体中BIC形成率相比野生型明显下降，并且侵染菌丝周围的PI(4,5)P2荧光强度也明显减弱，这些结果表明PI(4,5)P2在水稻-稻瘟病菌互作中发挥重要作用（图1）。可进一步推测，抑制或破坏病原菌特异侵染结构的形成可能是平衡产量和免疫的一种新策略。

图1. RBL1工作模型

rbl1类病斑突变体株系虽具广谱抗病性但产量极低，研究团队通过对RBL1基因编码区多位点进行编辑，创制了一个整码编辑新基因RBL1Δ12，rbl1Δ12株系只在成株期呈现微弱的类病斑表型。研究发现，RBL1Δ12基因显著增强了水稻对不同地区分离的10个稻瘟菌、5个白叶枯菌和2个稻曲菌生理小种的抗性。大田试验分析发现，rbl1Δ12株系稳产且具有显著的抗稻瘟病能力，在稻瘟病害严重发生时能够挽救约40%产量损失（图2）。因此RBL1Δ12在抗病育种中展现出巨大应用潜力。初步研究表明该基因在不同作物如小麦、玉米等作物中高度保守，也为小麦、玉米等粮食作物抗病育种提供了借鉴。该研究模式也为类病斑突变体储备资源的利用提供了借鉴。该研究成果对扩大抗病基因来源，推动作物抗病育种、植物病害绿色防控，保障国家粮食安全有重要意义。

图2. rbl1Δ12株系抗病性显著增强

华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室李国田教授和加州大学戴维斯分校/劳伦斯伯克利国家实验室Pamela C. Ronald院士为该论文共同通讯作者。李国田教授团队博士研究生沙干、孙鹏为本论文共同第一作者，课题组多位学生参与。西北农林科技大学康振生院士、法国波尔多大学Yohann Boutté教授、作物遗传改良全国重点实验室郭亮教授、李强教授和谢卡斌教授、江西省农业科学院水稻研究所黄仁良副研究员、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室郑露副教授、深圳华大生命科学研究院丘璨瑜副研究员、山东省农科院徐建第研究员、澳大利亚阿德莱德大学Jenny Mortimer教授等国内外科研机构合作者合作完成。

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06205-2

李国田教授简介：

李国田，华中农业大学教授、博士生导师。2006年、2008年毕业于西北农林科技大学，先后获得学士和硕士学位，2013年在美国普渡大学获得博士学位，后在劳伦斯伯克利国家实验室/加州大学戴维斯分校从事科学研究，于2018年回国加入华中农业大学植物科学技术学院从事水稻-稻瘟菌互作研究，以第一作者或共同通讯作者的身份在Nature，Plant Cell，Molecular Plant，New Phytologist，Current Opinion in Microbiology等国际权威期刊发表论文，申请获得专利多项。课题组现主要结合人工智能和蛋白设计深度挖掘和合理设计作物抗病，实验体系成熟，材料丰富，正处于高产期。

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专家点评

陈剑平 (宁波大学 中国工程院院士)

华中农业大学李国田团队经过长期研究克隆了水稻广谱抗病基因RBL1，揭示了RBL1基因调节磷脂酰肌醇的生物合成，进而调控植物细胞程序性死亡和免疫过程；通过基因编辑创制了广谱抗病且稳产的水稻材料rbl1Δ12, 在抗病育种中展现出巨大应用潜力。这项研究工作打破了目前水稻主要利用抗病基因育种的传统思路，展现了基因编辑赋能农业生产的应用价值，发掘的广谱抗病基因为生物育种提供了新资源，为作物病害绿色防控和国家粮食安全提供了新保障。

彭友良 (中国农业大学 教授)

水稻在生长中经常同时被多种病害侵袭，导致严重产量损失。如何发掘能同时抵抗多种病害的广谱抗病水稻资源是培育抗病水稻亟需解决的关键科学问题。华中农业大学李国田教授课题组与加州大学戴维斯分校Pamela C. Ronald教授课题组利用人工诱变与全基因组测序技术，发现了调控水稻广谱抗病的关键基因RBL1，并通过基因编辑创制了既广谱抗病又稳产的突变体rbl1Δ12，为发掘和创制广谱抗病资源提供了全新思路，为培育广谱抗病水稻品种提供了可用的新资源。

何祖华 (中科院分子植物科学卓越创新中心 研究员)

植物程序性细胞死亡（PCD）是植物免疫的关键调控途径，这类调控基因的突变往往产生autoimmunity的类病斑突变体，对不同病原菌具有抗病性。这类遗传资源与抗病基因介导的专化抗性不同，后者往往是小种专化性抗性，容易由于病原菌菌群的变化，发生抗性的丧失。因此，研究类病斑突变体基因植物抗病性研究的一个重要领域。沙干等人的研究揭示了CDP-DAG合成酶RBL1参与细胞死亡和免疫激发的调控，其功能缺失导致对不同病原菌抗病的类病斑表型。尤其重要的是研究者通过基因组编辑获得了一个新的rbl1Δ12突变水稻，保留了对不同病菌的抗性，同时没有明显的产量损失。这些发现加深了对CDP-DAG参与细胞死亡和免疫调控的认识，也为作物抗病育种提供了新的靶标。