湖南农业大学吴俊团队发现一个"失控"的钙通道赋予水稻强效广谱稻瘟病抗性

近日，湖南农业大学吴俊团队联合国际水稻研究所 江苏省农科院联合实验室（IRRI-JAAS）周波教授、吉林农业大学孙文献教授团队在New Phytologist在线发表了题为A hypermorphic allele of CNGC confers broad-spectrum blast resistance through ectopic calcium influx-induced cell death in rice的研究论文。该研究从水稻类病斑突变体出发，鉴定出环核苷酸门控通道OsCNGC13 的超等位基因 etd1，并系统解析了一种非经典免疫路径——"钙通道门控异常 → 过量Ca²⁺ 内流 → 细胞死亡 → 强效广谱抗性"。

植物应对病原入侵进化出两重基于受体识别的免

疫反应：一重是由质膜模式识别受体（PRR）识别病原相关分子模式（PAMP）启动的 PTI反应；另一重是由胞内 NLR 受体识别病原效应蛋白启动的 ETI反应，会引发细胞死亡（HR）。PTI反应温和但广谱，ETI反应强效但易被突破。近期研究发现，PTI和ETI实际上共享了一系列的相同的免疫事件，包括胞质钙离子浓度（Ca2+）升高，活性氧爆发和转录代谢重编等。基于免疫中间事件整合PTI和ETI广谱强效的优势，是一种植物广谱抗性提升的新策略。

类病斑etd1介导的广谱抗性及其细胞学基础

研究者前期在籼稻IR64的 EMS 诱变群体中鉴定到类病斑突变体etd1（elicitor-triggered cell death 1）。该突变体的细胞死亡可被稻瘟菌细胞壁组分几丁质与稻瘟菌激发子提取物诱导产生，且稻瘟菌激发子提取物的诱导强度（32%）显著高于几丁质（17%），表明etd1的细胞死亡可被病原信号特异性放大。该突变体对106 个来自中国和菲律宾水稻主产区的稻瘟菌分离株均表现抗性，表明 etd1 具有广谱强效抗性，且抗性不依赖于既有 R 基因识别，属于非典型抗病路径。值得注意的是，etd1中受稻瘟菌侵染细胞自 24 h 起开始形成大量inclusions（HR 相关标志性结构）积累，这一过程有效限制了稻瘟菌定殖。

图1 etd1呈现自发和稻瘟菌激发子诱导细胞死亡表型

etd1是OsCNGC13的超等位基因，介导过度活跃的Ca2+通道活性

通过BSA-seq图位克隆与遗传验证，团队把致病基因锁定在6号染色体上的OsCNGC13——一个编码环核苷酸门控钙通道（CNGC）的基因。突变发生在第483位：甘氨酸（G）变成了谷氨酸（E），即G483E。电生理实验证实：etd1相对OsCNGC13通道活性显增强。此外，OsCNGC13 与 etd1 共表达时，etd1 引起的电流增强被显著削弱但整流弱化未被恢复，与四聚体装配中的亚基竞争模型一致——这解释了 etd1 在OsCNGC13存在时的隐性遗传行为。

监测动态Ca2+通量 与 胞质Ca2+升高表明，etd1 在活体植物中显著增强了高浓度Ca2+、几丁质及稻瘟病激发子诱导的 Ca²⁺ 内流与胞质Ca2+升高，证实 etd1 在植物体内介导了强效的Ca²⁺内流。当将外源Ca2+降至 0.01 mM 不仅使病菌诱导的细胞死亡几乎消失、还导观察到典型感病病斑的形成，证明 etd1 介导的强效钙内流是执行细胞死亡并赋予抗性的必要条件。

图2 etd1是一种过度活跃的Ca2+通透性通道

etd1通道活性的遗传可塑性

与多数 LMM 一致，etd1 的抗性以显著适应性代价换取。为解析该权衡的可调性，研究者对 etd1 进行第二轮 EMS 诱变，在约 50 万 M₂ 株系中对etd1的抑制子（etds）进行筛选，并获得 etds102/145/176 三个独立的突变体。遗传分析表明etds102/145/176均携带 etd1 新的等位变异，表型上完全挽救了自发/激发子触发细胞死亡及产量缺陷，但是同时导致广谱抗性丧失。进一步电生理实验显示，etds102/145/176通道活性与OsCNGC13保持一致。这些研究结果表明，etd1的通道活性可通过在不同氨基酸位点引入新的突变而得到调控，并且抑制其活性可降低适应性代价。

综上所述，该研究明确了钙离子通道活性与水稻稻瘟病广谱抗病性之间的耦联关系。揭示 G483 作为OsCNGC13 保守的门控氨基酸当其突变成谷氨酸，显著增强钙离子通道活性介导强效的钙离子内流；异常钙离子内流引起的细胞死亡虽然影响了生长发育但是却能有效限制稻瘟菌的入侵，赋予水稻广谱强效稻瘟病抗性。值得注意的是，etd1 引起的细胞死亡可PAMP 诱导，这暗示PTI 钙信号经钙通道增益可放大为 ETI级别免疫输出。未来基于饱和突变扫描或 AI 辅助结构工程挖掘etd1的温和突变，有望实现广谱抗性与产量的平衡。

吉林农业大学博士生刘剑镔为该论文第一作者，湖南农业大学吴俊教授、国际水稻所江苏省农业科学院联合实验室周波教授、吉林农业大学孙文献教授为论文共同通讯作者；华中农业大学薛绍武团队、江苏省农业科学院杨杰团队共同参与了该项研究。论文主要工作在湖南农业大学、岳麓山实验室、湖南杂交水稻研究中心杂交水稻全国重点实验室完成。研究工作得到了国家自然科学基金、教育部高校青年教师科研创新能力支持项目等项目资助。

论文链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/nph.71579