以下文章来源于Stress Biology逆境生物学 ，作者SBIO
导读
水稻是世界半数以上人口的主食作物，生产上常受到多种病害威胁。仅真菌性疾病就占全球农作物年产量损失的10-23%，相当于6-40亿人的粮食供应（Stukenbrock和Gurr 2023）。挖掘不影响产量的、具有持久广谱抗病基因，是培育抗病品种的最有效和可持续的方法，是实现作物病害绿色防控的有效措施。
华中农业大学李国田教授团队牵头的一项研究通过靶向基因编辑水稻广谱抗病基因RBL1，获得具有广谱抗病性且不会降低产量的株系。该工作于今年6月发表于Nature（Sha et al., 2023），证明了利用基因组编辑提高作物产量和病原体抗性的潜力，为作物抗病育种提供了新思路。
点评：Yiwen Deng & Zuhua He
由于世界人口的增长，全球粮食需求在不断增加，但粮食生产却面临着各种病害胁迫。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，仅真菌性疾病就占全球农作物年产量损失的10-23%，相当于6-40亿人的粮食供应（Stukenbrock和Gurr 2023）。水稻（Oryza sativa）是世界半数以上人口的主食作物，生产上常受到多种病害威胁。主要的水稻疾病，包括由稻瘟菌（M. oryzae）引起的稻瘟病和由稻绿核菌（U. virens）引起的水稻假黑穗病，不仅降低粮食产量，而且使粮食受霉菌毒素污染。作物病害防控的主要策略之一是培育抗病作物品种。然而，由于不断进化，病原体能够在几年内克服宿主的抗性。全球气候变化和广泛单一种植等原因进一步加速了病原体的适应。挖掘不影响产量的、具有持久广谱抗病基因，是培育抗病品种的最有效和可持续的方法。但到目前为止，从自然作物群体中只分离得到少量此类基因，如水稻Pigm、Bsr-d1和小麦TaPsIPK1等。为了有效对抗不断演变的病原体，迫切需要探索额外的抗性来源，确保粮食生产的可持续性。
在没有受到病原体侵染的情况下，类病变突变体（LMMs）自发产生的坏死病变与抗性基因引发的超敏反应相类似。相较于典型的R基因，LMMs通常往往具有更持久、更广谱的抗性。LMMs编码多种功能的蛋白质，包括调节基因转录、蛋白质翻译和修饰、新陈代谢以及囊泡贩运等。对这些LMMs的研究极大地促进了我们对植物生物学，特别是植物免疫系统的理解。然而，LMM基因的广谱持久抗性往往同时伴随产量降低，因此导致LMM基因的应用受限。
Sha等人的研究展示了一个新的储备资源利用策略：利用基因编辑产生兼具广谱抗性与产量的优异等位基因。从水稻突变体库中筛选发现的类病变突变体rbl1，表现出强烈的自身免疫反应，并增强了对稻瘟病和细菌性病害的抗性。基因RBL1编码CDP-DAG合成酶（CDS1），负责利用三磷酸胞苷（cytidine triphosphate, CTP）和磷脂酸（phosphatidate）催化CDP-DAG的合成。与其他LMMs类似，rbl1突变体品系表现出增强的抗病性，但产量严重下降。为了优化RBL1基因，以其基因区域内的多个位点为目标，研究小组开展了基因组编辑技术。他们发现，RBL1第二外显子中的12bp缺失（等位基因RBL1Δ12）不仅恢复植物生长，还保持了对稻瘟菌、稻绿核菌等多种菌株的广谱抗病。在一个多地点的田间试验中，rbl1Δ12品系没有影响产量，并保持了对稻瘟病的强大抗性。表明这个RBL1Δ12等位基因具有明显的农艺学价值。
研究RBL1Δ12在调节水稻的抗病性和粮食产量之间的权衡机制，有利于将其精确地用于其他作物。在从自然群体中克隆的R基因中，已经报道了与Sha等人所显示的相反的现象，即R基因的突变导致R蛋白的构成性激活，从而形成病害模拟表型。这表明，自然群体中的R基因是在漫长的进化和驯化过程中获得了微调。而如今，正如Wang等人（2022）和Sha等人（2023）所报道，精密的基因组编辑技术使得“微调”能够在短时间内快速实现。随着基因组编辑技术的快速发展和更多新型编辑工具的出现，如长片段敲入、单碱基替换等，可以预见，类似的基因编辑方法在其他基因和作物上的应用也越来越可行。鉴于RBL1同源物在各种作物中是保守的，编辑不同作物物种中的RBL1基因并评估产生的基因变体，可能为培育抗病品种提供更多可能性。
该论文对磷脂在稻瘟菌和水稻之间的相互作用中的作用提供了机理上的见解。RBL1酶负责将磷脂酸（phosphatidic acid, PA）转化为CDP-DAG，而CDP-DAG是多种磷脂生物合成的重要代谢中间体。该研究表明，rbl1突变体中的磷脂酰肌醇（phosphatidylinositol, PI）和磷脂酰甘油（phosphatidylglycerol, PG）水平显著降低，其中PI的减少被确定为表型的关键因素。
PI衍生物的研究结果显示，rbl1突变体中PI(4,5)P2（phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate）减少，课题组进一步研究了PI(4,5)P2在早期感染阶段原位的时空变化。首先，PI(4,5)P2迅速被招募到感染部位，包裹住侵入型菌丝尖端，随后在BIC（biotrophic interfacial complex, BIC）和EIHM结构（extra-invasive hyphal membrane, EIHM）中富集（图1）。这些细胞结构可能是真菌感染的关键，因为BIC是稻瘟菌的细胞质效应物分泌到水稻细胞的通道。这些效应物在抑制宿主的免疫反应中发挥关键作用，从而促进感染。PI(4,5)P2参与这一免疫过程表明，磷脂酰肌醇磷酸酯(phosphatidylinositol phosphates, PIPs)可能在病原体-宿主相互作用和各种病理系统的抗病性中具有重要作用，尽管其基本机制仍不清楚。对白粉病感染的研究表明，PI(4,5)P2作为易感因子；希金斯炭疽菌（Colletotrichum higginsianum）修改EIHM中的PI(4,5)P2水平以促进宿主细胞的成功感染；植物病毒通过其病毒外壳蛋白劫持PIP2，以逃避宿主的自噬降解。已经预测到植物编码多个参与PI(4,5)P2生物合成的基因，然而，它们在水稻免疫中的具体功能仍未被探明。在拟南芥中，pip5k1 pip5k2突变体表现出广谱抗病性，进一步支持PI(4,5)P2在植物免疫中的重要性。因此，在与水稻免疫有关的脂质代谢途径中，其他与RBL1功能相关的基因，包括编码直接参与PIPs生物合成的磷脂酰肌醇磷酸激酶（PIPKs）的基因，有待进一步研究。RBL1在已建立的PAMP触发的免疫（PTI）和效应器触发的免疫（ETI）免疫系统中的作用是什么，仍然不清楚。此外，已知磷脂在丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi）和其宿主植物之间的相互作用中也起着重要作用，RBL1和磷脂的相关改变如何影响作物和丛枝菌根真菌之间的共生过程。
展 望
总的来说，这项研究利用基因组编辑对LMMs进行微调来发挥其生产应用潜力，为培育广谱抗病性农作物提供了一个新的参考思路。此外，该研究证实了磷脂代谢在微生物-宿主互作中的重要性。进一步研究揭示磷脂参与调控微生物-宿主互作的机制，将有助于开发新的作物保护方法、研制针对这些关键磷脂和结构的抗病作物和杀菌剂，有助于加强我们对植物免疫力以及作物育种的认识和理解
链接：
https://doi.org/10.1007/s44154-023-00102-4
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