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科学通报 | 水稻免疫驯化选择如何协调抗病与产量

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农业进化历经原始、传统至现代三阶段跃迁, 从刀耕火种到精耕细作, 再到智慧农业. 今天的作物, 是数千年引种、驯化与人工选择的产物, 与人类文明交织共生, 是人与自然协同演进的缩影.

植物病害严重威胁我国粮食安全, 每年因病虫害损失粮食至少1800万吨. 水稻各类病害常年发生: 稻瘟病由半活体寄生真菌引起, 常年发生面积约6000万亩, 其经典抗病基因的挖掘与应用一直是育种研究的重点; 白叶枯病由半活体寄生细菌引起, 常年发生面积约3000万亩, 相关经典抗病基因已被广泛应用于品种改良; 稻曲病则由活体寄生真菌侵染所致, 常年发生面积约4000万亩, 目前主要依赖数量性状位点(quantitative trait locus, QTL)进行抗性改良, 严重制约了我国水稻的高产稳产 [1] . 抗病虫品种可增产10%以上, 是“虫口夺粮”最有效的途径 [2] .

植物虽不能产生抗体, 却进化出独特的双层免疫系统: 预先设伏, 通过物理屏障(蜡质、刺毛、木质化)和化学武器(植保素)防御; 主动反击, 病原菌入侵后, 质膜上的模式识别受体(pattern recognition receptors, PRRs)识别病原菌高度保守的分子模式(pathogen-associated molecular patterns, PAMPs), 激活模式触发免疫(PAMPs-triggered immunity, PTI)和胞内核苷酸结合富亮氨酸重复序列受体(nucleotide-binding and leucine-rich repeat receptor, NLRs)识别病原菌通过三型分泌系统分泌的效应蛋白, 激活效应子触发的免疫反应(effector-triggered immunity, ETI) [3] . PTI免疫反应是基础抗性(basal defense)的重要组成部分, 赋予植物对病原菌不同变种的广谱抗性. 在复杂的田间环境下, PTI抗性相对广谱且持久, 因此也被称为“田间抗性”. 相比之下, ETI介导的抗性更为精准、强烈, 是进化上更高级、更有效的免疫反应, 能够有力抵御病原菌的侵入. 育种家通常优先利用专化抗病基因进行品种改良. 我们长期致力于发掘抗病基因、设计分子标记, 为高效抗病育种提供支撑. 实践证明, 作物抗病育种是控制病害最经济有效的途径, 也是保障粮食安全的关键举措.

水稻白叶枯病由黄单胞菌( Xanthomonas oryzae pv. oryzae , Xoo )引起. 病原菌从叶片的伤口或水孔侵入, 在维管束内大量繁殖, 导致植株枯萎死亡 [ 4 , 5 ] . 台风、洪水易造成白叶枯病大面积暴发, 近十年来危害加重, 籼稻区重于粳稻区, 单季稻重于双季稻, 晚稻重于早稻. 主栽品种抗病基因有限, 病菌变异快, 新品种推广几年后抗性逐渐丧失. 因此, 用好核心种质资源, 鉴定关键抗病基因, 培育抗病品种, 是防治病害最经济有效的途径. Xa21 ( Xanthomonas oryzae pv. oryzae Resistance 21 )是首个从非洲野生稻中克隆的白叶枯病抗病基因, 赋予水稻基础免疫 [6] . 但随着大面积推广, 已出现能克服 Xa2 1的病原菌小种 [7] . 因此, 亟需发掘新的抗病基因(尤其是NLR类), 解析其机制, 构建整合田间抗性(PTI)和专化抗性(ETI)的广谱抗病聚合育种模式.

作物免疫研究面临三大科学问题: 选择问题, 作物驯化与长期育种是否对抗病基因及其网络进行了选择? 机制问题, 抗病识别的靶点与分子机制是什么? 重构问题, 如何在现代作物品种中恢复野生种的广谱抗病性? 突破这三大问题, 将为作物抗病育种提供理论基础与技术路径.

植物免疫系统在从野生种到现代作物的驯化过程中被不断塑造, 其核心在于平衡生长(产量)与防御 [ 8 ~ 11 ] . 抗病基因往往受到正向或负向选择以适应不同环境压力, 但其人工选择机制尚不清楚 [ 12 , 13 ] . 目前, 多数已克隆的白叶枯病抗病基因 Xa 源于野生稻或感病基因突变, 暗示该抗性可能在水稻驯化中经历了负选择 [14] . 因此, 解析水稻驯化尤其是亚种形成过程中抗病基因的选择模式, 对于指导现代水稻高产抗病育种具有重要意义 [ 15 ~ 18 ] .

针对气候变化与种源枯竭背景下多发的白叶枯病难题, 何祖华院士团队在Nature发表的最新研究成功克隆了抗病新基因 Xa48 , 编码NLR免疫受体蛋白 [19] . 研究筛选并功能鉴定了其对应的病原菌效应蛋白XopG, 证实XA48能直接识别XopG并激发免疫反应. 机制研究表明, XA48识别XopG后, 促进免疫抑制因子OsVOZ1/2降解, 解除对下游抗病信号的抑制, 最终激活免疫反应. 该发现为培育高抗高产水稻新品种提供了重要理论支撑, 也为作物抗病分子育种提供了具有自主知识产权的重要基因资源.

围绕XA48调控生长-免疫平衡, 团队解析了其驯化机制: 下游转录因子 OsVOZ1 进化出 OsVOZ1A 和 OsVOZ1S 两个等位变异, 粳稻仅携带 OsVOZ1A , 籼稻则同时保留两者. 在粳稻中, Xa48 与 OsVOZ1A 的组合会降低产量, 而在籼稻中无此效应, 导致 Xa48 在粳稻中功能丧失. Xa48 仅存于籼稻, 而籼稻传统上种植于病害频发的东南亚地区(长江以南), 粳稻历史上种植于水患较少的长江以北地区. 这一种植环境的差异, 使得 Xa48 在数千年驯化中被从粳稻基因组中剔除.

针对白叶枯病育种瓶颈, 团队构建了以RaxX-XA21(基础抗病PTI)和XopG-XA48(专化抗病ETI)为核心的抗病种源( 图1 ). 首次在作物中证明PTI与ETI免疫网络的叠加可重构野生稻的广谱抗病性. 聚合后的水稻新品系, 在台风、洪水等极端胁迫下仍能在不同稻区保持稳定抗性, 且不影响产量等重要农艺性状. 该成果为作物抗病育种提供了新范式, 相关基因已被隆平高科、中国水稻研究所等单位广泛应用. 这是团队继2017年 Science 发表抗稻瘟病基因 Pigm 后的又一重大突破 [20] , 为作物生物育种提供了核心基因资源与技术, 实现了从基础研究到育种应用的有效转化, 为“把种子牢牢攥在自己手里”提供了坚实的理论和技术支撑.


图1 PTI与ETI免疫网络的叠加重构野生稻广谱抗性. 研究构建了水稻针对白叶枯病的PTI(XA21)+ETI(XA48)免疫综合平台, 拓展抗病“宽度”的同时增强抗性“深度”, 创新性地利用先天免疫理论, 提高农作物广谱持久抗性, 为破解作物病害绿色防控难题提供了新思路

参考文献

[1] Deng Y W, Liu Y Q, Wang J, et al. Strategic thinking and research on crop disease and pestresistance in China (in Chinese). Sci Sin-Vitae, 2021, 51 1435-1446

[2] Abbas D, Haider K, Ullah F, et al. Molecular mechanisms of insect resistance in rice and their application in sustainable pest management. Insects, 2026, 17 111

[3] Jones J D G, Dangl J L. The plant immune system. Nature, 2006, 444 323-329

[4] Niño-liu D O, Ronald P C, Bogdanove A J. Xanthomonas oryzae pathovars: model pathogens of a model crop. Mol Plant Pathol, 2006, 7 303-324

[5] Lin H, Wang M, Chen Y, et al. An MKP-MAPK protein phosphorylation cascade controls vascular immunity in plants. Sci Adv, 2022, 8 eabg8723

[6] Song W Y, Wang G L, Chen L L, et al. A receptor kinase-like protein encoded by the rice disease resistance gene, Xa21 . Science, 1995, 270 1804-1806

[7] Chen F, Yan B, Gong X, et al. Genome sequencing of the bacterial blight pathogen DY89031 reveals its diverse virulence and origins of Xanthomonas oryzae pv. oryzae strains. Sci China Life Sci, 2021, 64 2175-2185

[8] He Z, Webster S, He S Y. Growth-defense trade-offs in plants. Curr Biol, 2022, 32 R634-R639

[9] Li X, Chen Z, Zhang G, et al. Analysis of genetic architecture and favorable allele usage of agronomic traits in a large collection of Chinese rice accessions. Sci China Life Sci, 2020, 63 1688-1702

[10] Huang X, Kurata N, Wei X, et al. A map of rice genome variation reveals the origin of cultivated rice. Nature, 2012, 490 497-501

[11] Deng Y, He Z. The seesaw action: balancing plant immunity and growth. Sci Bull, 2024, 69 3-6

[12] Barabaschi D, Tondelli A, Valè G, et al. Fitness cost shapes differential evolutionary dynamics of disease resistance genes in cultivated and wild plants. Mol Plant, 2020, 13 1352-1354

[13] Delaux P M, Schornack S. Plant evolution driven by interactions with symbiotic and pathogenic microbes. Science, 2021, 371 eaba6605

[14] Yang Y, Zhou Y, Sun J, et al. Research progress on cloning and function of Xa genes against rice bacterial blight. Front Plant Sci, 2022, 13 847199

[15] Doebley J F, Gaut B S, Smith B D. The molecular genetics of crop domestication. Cell, 2006, 127 1309-1321

[16] Meyer R S, Purugganan M D. Evolution of crop species: genetics of domestication and diversification. Nat Rev Genet, 2013, 14 840-852

[17] Han X, Tsuda K. Evolutionary footprint of plant immunity. Curr Opin Plant Biol, 2022, 67 102209

[18] Chen E, Huang X, Tian Z, et al. The genomics of Oryza species provides insights into rice domestication and heterosis. Annu Rev Plant Biol, 2019, 70 639-665

[19] Lin H, Chen F D, Cheng G Y, et al. Asymmetric selection of a rice immune module and rebuild of disease resistance. Nature, 2026, 653 840-849

[20] Deng Y, Zhai K, Xie Z, et al. Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance. Science, 2017, 355 962-965

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