微生物所在大麦抗稻瘟病机制钻探中获得进展,新加坡生科院在大麦广谱与漫长抗稻瘟病研商中收获第一进展

由稻瘟菌(Magnaporthe
oryzae
)引起的稻瘟病是危害水稻最严重的真菌病害,每年给水稻生产带来巨大损失,严重发病的田块甚至绝产。在植物抗病机制研究过程中发现,多种植物激素在植物应对外界生物与非生物胁迫过程中发挥重要作用。其中,气体乙烯被认为是一类逆境激素而受到重视。以往有关乙烯对植物抗病性的研究主要集中在模式植物拟南芥上。但乙烯如何控制水稻对稻瘟菌的抗病机制仍然不甚清楚。有关乙烯信号转导途径以及乙烯信号组分在水稻抗病过程中所起的作用至今没有报道。

4月9日,国际学术期刊Molecular Cell
在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所何祖华研究组完成的关于水稻广谱抗病的最新研究成果“RRM
Transcription Factors Interact with NLRs and Regulate Broad-Spectrum
Blast Resistance in
Rice
”。这是该研究组继2017年3月在国际杂志Science上发表持久广谱抗稻瘟病基因Pigm、揭示水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制后,在Pigm广谱抗瘟机制上取得的又一进展。

[video:十年磨一剑我国科学家取得稻瘟病防治重大突破]
2月2日,国际学术期刊《科学》在线发表了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所何祖华研究组与合作者完成的关于水稻持久广谱抗病的最新研究成果,题为Epigenetic
regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with
yield
balance
。该研究成功克隆了持久广谱抗稻瘟病基因Pigm,并揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制。
稻瘟病是由真菌Magnaporthe
oryzae引起的,是水稻最重要病害之一,分布在全国乃至世界各稻区,可引起水稻大幅度减产,严重时减产40%~50%,甚至颗粒无收,因此我国水稻新品种审定从2008年开始实行稻瘟病抗性的“一票否决”制。控制这个病害最经济有效的方法是发掘和利用新的广谱持久抗病资源进行选育广谱抗病新品种。截至目前,已有25个抗稻瘟病基因被克隆和功能鉴定,但绝大部分抗谱窄,带这些基因的抗病品种一般推广3年后就被稻瘟病菌克服丧失抗性,在水稻抗病育种上的应用受到很大限制。另一方面,虽然采用抗病基因聚合方法可以提高水稻抗病性,但会影响产量和品质,即存在抗病性代价问题。
为解决这个长期困扰植物病理和育种界的瓶颈问题,植生生态所何祖华团队与育种家合作,从2002年开始,广泛筛选抗瘟种质,从起源于我国农家品种的育种材料中鉴定了一个广谱持久抗瘟性新位点Pigm。他们采用分子遗传学、分子生物学、生物化学及细胞生物学的手段系统地解析了这个新位点的持久抗病机制。研究发现,Pigm是一个包含多个NBS-LRR类抗病基因的基因簇。其中只有2个具有功能的蛋白PigmR和PigmS。PigmR在水稻的叶、茎秆、穗等器官组成型的表达,可以自身互作形成同源二聚体,发挥广谱抗病功能,但PigmR导致水稻千粒重降低,产量下降。与PigmR相反,PigmS受到表观遗传的调控,仅在水稻的花粉中特异高表达,在叶片、茎秆等病原菌侵染的组织部位表达量很低,但可以提高水稻的结实率,抵消PigmR对产量的影响。PigmS可以与PigmR竞争形成异源二聚体抑制PigmR介导的广谱抗病性。但由于PigmS低水平的表达,为病原菌提供了一个“避难所”,病原菌的进化选择压力变小,减缓了病原菌对PigmR的致病性进化,因此Pigm介导的抗病具有持久性。利用Pigm改良选育的品种既有广谱持久抗病性又不影响最终的产量。这个基因已经被国内30多家种子公司和育种单位应用于水稻抗病分子育种,已经有新品种参加区试和品种审定。
此项研究不仅在理论上扩展了植物免疫与抗病性机制的认识,也为作物抗病育种提供了有效的新工具。
该工作主要由副研究员邓一文和博士研究生翟科然、谢桢、杨冬勇等在何祖华指导下完成,受到中科院先导项目、国家转基因新品种培育重大专项、国家自然科学基金委等的资助。809.bet 1809.bet 2上海生科院揭示水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制

中国科学院微生物研究所刘俊研究组的研究发现,稻瘟菌侵染水稻后,会激活水稻体内的乙烯合成途径,并且抗病品种比感病品种积累了较高水平的乙烯。经乙烯处理后的水稻幼苗表现出对稻瘟菌的抗病性,而用乙烯信号抑制剂处理的幼苗则较为感病。利用已经鉴定的乙烯信号组分的突变体和过表达材料,发现乙烯信号传递的主调控因子OsEIN2突变后导致水稻对稻瘟病更加敏感,而过表达OsEIN2及其下游转录因子OsEIL1的水稻则表现出较强的稻瘟病抗性。这些结果表明水稻的乙烯信号正调控了水稻对稻瘟病的抗病性。转录组分析发现稻瘟菌侵染会诱导乙烯、茉莉酸、活性氧相关途径以及植保素合成途径基因的表达。进一步的研究发现OsEIN2介导了编码NADPH氧化酶的基因OsrbohA/B以及茉莉酸合成途径基因OsOPR4在稻瘟菌侵染后的诱导表达,并且证明了OsEIL1蛋白直接与这些基因的启动子结合并激活其转录。这表明OsEIN2在水稻活性氧的产生、茉莉酸的合成以及随后的植保素的积累过程中有着重要作用。

水稻病害严重影响水稻产量与品质,其中最让农民头疼的病是真菌引起的稻瘟病,又称“稻热病”、“火烧瘟”等,被列为作物十大真菌病害之首,能像瘟疫一样到处传播,是一个世界性的病害,可引起大幅度减产,严重时减产40%~50%,甚至颗粒无收。自2000年以来,我国稻瘟病平均年发病面积在8000万亩以上,因此我国水稻新品种审定从2008年开始实行稻瘟病抗性的“一票否决”制。这种真菌的变种还可以侵染小麦,引起麦瘟病,目前麦瘟病在孟加拉国迅速扩展,对我国小麦生产也可能构成严重威胁。在农业生产上一般通过喷施杀菌剂农药和种植抗性品种来控制稻瘟病,但农药防治既造成环境污染也危害人类身体健康,防治稻瘟病最经济、有效和安全的措施是培育抗病品种。由于稻瘟病菌的多变,抗病品种的抗病性不能持久,导致辛勤的抗病育种工作效果不佳。所以一直以来育种家和植物病理学家面临的难题是:如何能挖掘到高抗、广谱和持久的抗病基因,培育广谱持久的抗病品种,解决当前水稻生产中稻瘟病抗性的瓶颈问题。

该研究首次证明在稻瘟菌侵染后,乙烯信号通过激活活性氧的产生和植保素的合成从而调控水稻的抗病性。研究成果已在线发表在《植物学报》(The
Plant
Journal
)上,刘俊课题组的助理研究员杨超为文章的第一作者,刘俊为通讯作者。研究得到了中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金和中科院“百人计划”启动经费的资助。

为解决这个长期困扰植物病理和育种界的瓶颈问题,何祖华研究团队与育种家合作,从2002开始,广泛筛选抗瘟种质,从起源于我国农家品种的育种材料中鉴定了一个广谱持久抗瘟性新位点Pigm。他们发现,Pigm是一个包含多个抗病基因的基因簇,编码2个功能相反的免疫受体蛋白,两者受到表观遗传的调控,既保证了水稻对稻瘟病菌的广谱抗性,又克服了高抗与高产之间的矛盾。该研究成果已经于2017年3月3日发表于Science。该研究成果已经被国内多家种子公司和育种单位应用于水稻抗病分子育种,利用该基因育成的抗病新品种陆续通过审定并大面积推广,是一个理论研究密切结合农业生产需求的主要成果。

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何祖华研究组在发掘与解析Pigm调控抗病性与产量平衡机制的基础上,继续破解为什么Pigm能控制广谱抗病的科学问题。他们最近的研究发现植物中存在一类新的转录因子家族,被他们命名为RRM,这类RRM因子可以与抗病受体PigmR等互作,进入细胞核激活下游的防卫基因,从而使水稻产生广谱抗病性。有意思的是,该研究也发现,如果让RRM蛋白强制性进入细胞核,即使水稻没有广谱抗病基因,也可以产生广谱抗病性,这样利用RRM基因就有可能改良不同作物的抗病性。这项研究是我国水稻抗瘟性研究的最新成果,审稿专家认为它填补了抗病受体如何直接激活下游防御反应的研究空白,是该领域一个重要的、高质量的研究进展,也为作物抗病性改良提供新的理论依据和技术支持。

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该工作主要由博士研究生翟科然、研究员邓一文等在何祖华指导下完成。受科技部重点研发计划、国家自然科学基金、中科院先导B项目等资助。

乙烯信号转导正调控了水稻对稻瘟病的抗性。分别用空气、1
ppm乙烯信号抑制剂和10
ppm乙烯预处理12小时后的水稻幼苗接菌后的抗病表型和病斑统计;野生型、osein2突变体、OsEIN2和OsEIL1转基因植株接菌后的抗病表型和病斑统计。

论文链接

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809.bet,乙烯信号通路参与水稻抗稻瘟病的作用机制模型

水稻广谱抗稻瘟病研究获进展

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