PBJ | 中国农业大学与堪萨斯州立大学联合解析OsHRC对稻瘟病抗性效应和其调控的分子机制

近日，中国农业大学农学院小麦研究中心与堪萨斯州立大学农学院柏贵华课题组联合，对水稻（Oryzae sativa L.）中小麦赤霉病抗病主效基因Fhb1（TaHRC）的同源基因—OsHRC对稻瘟病抗性效应和其调控的分子机制进行了研究。该研究为稻瘟病广谱抗病品种的培育提供了新的途径，也为借助模式植物研究小麦赤霉病抗性的分子机理提供了重要基础。相关研究成果在线发表在植物学知名期刊《Plant Biotechnology Journal》上。

小麦赤霉病（Fusarium head blight, FHB）是由兼性寄生的禾谷镰孢（Fusarium gramin）及其它镰孢菌属的病原真菌引起的世界性重要病害。FHB不但直接导致小麦的产量和品质降低，其病原菌产生的霉菌毒素直接影响食品安全。培育和种植抗病品种是降低FHB危害的最有效途径。此前，在小麦中克隆了赤霉病抗性主效基因Fhb1，该基因编码一个组氨酸富集的钙结合蛋白（histidine-rich calcium-binding protein，HRC）。小麦中TaHRC受病原菌诱导上调表达，功能缺失突变（Loss-of-function）显著提高了寄主赤霉病的抗性。虽然关于TaHRC调控小麦赤霉病的抗性机制仍存在争议，但在小麦、玉米、马铃薯等作物上HRC同源基因的功能缺失后均可提高作物对不同病害的抵抗能力，表明 HRC属于感病基因类型，在未来作物抗病遗传改良中具有重要应用价值。

水稻（Oryza sativa L.）是重要的粮食作物，也是禾本科作物的模式植物，由稻瘟病菌(Magnaporthe oryzae)引起的水稻瘟病是威胁水稻生产的第一大病害。虽然在水稻中已克隆了系列稻瘟病抗性基因，但大多属于小种转化性抗性类型，其抗性易被病原菌生理小种的变化所克服。因此，在水稻中发掘广谱性稻瘟病抗性基因具有重要意义。小麦赤霉病病原菌和水稻稻瘟病病原菌均属于兼性寄生（Hemibiotrophic）的病原真菌，在致病侵染过程中具有一定的相似之处。HRC在禾本科植物中基因结构和序列保守性较高，水稻OsHRC基因编码蛋白以点状分布的形式特异的定位在细胞核中，无转录激活活性（图1a，b）。为进一步探究OsHRC对水稻稻瘟病抗性的作用，作者采用CRISPR/Cas9基因编辑技术对感病品种中花11的OsHRC进行敲除，共获得了3个功能缺失型突变体（图1c）。利用两种不同稻瘟病生理小种（RB22和S005）接种鉴定发现，突变体的稻瘟病丙班面积和病原菌生物量显著小于野生型对照，表明OsHRC功能缺失后可提高到水稻对M. oryzae不同小种的抗性（图1d-f）。通过转录组和qRT-PCR验证发现，在突变体中，木质素合成途径的基因均显著上调表达（图1g-h），并且突变体中叶片中木质素含量显著高于野生型，表明OsHRC缺失型突变可能是通过提高木质素合成途径相关基因来提高抗病性（图1i）。对突变体重要农艺性状调查发现，OsHRC缺失突变对重要农艺性状无显著的负面效应（图1j-k）。以上研究结果为水稻稻瘟病抗性的遗传改良提供新抗源，也为深入研究小麦赤霉病抗性的分子机制提供了重要参考。

中国农业大学农学院小麦研究中心宿振起教授和美国堪萨斯州立大学柏贵华教授为论文的通讯作者。中国农业大学博士生丁颜朋为该论文第一作者，研究生张福萍、孙方耀、刘继鲁、贺茜参与了部分研究工作。小麦研究中心孙其信教授和倪中福教授对该工作进行了指导和帮助。中国农业科学院植保所宁约瑟研究员和中国农业大学植物保护学院彭友良教授馈赠了稻瘟病菌。中国农业科学院植保所方红博士在稻瘟病接种和统计方面提供了重要帮助。本研究得到了国家重点研发计划“多基因聚合高效育种技术（2022YFD1201502）”和中国农业大学人才专项基金的资助（2021RC009）。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.14061

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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