北京时间2023年6月14日，国际顶级学术期刊Nature在线发表了华中农业大学植物科学技术学院李国田教授课题组与美国加州大学戴维斯分校Pamela C. Ronald课题组题为“Genome editing of a rice CDP-DAG synthase confers multipathogen resistance”的研究论文。

该研究将人工诱变技术与全基因组测序技术相结合，成功克隆水稻广谱抗病的关键调控基因RBL1，并通过基因编辑创制了新型水稻广谱抗病材料。研究团队在构建的水稻突变体库中筛选到一个对稻瘟病菌和白叶枯菌都具有良好抗性的类病斑突变体rbl1。基因定位克隆和功能验证证明RBL1基因编码CDP-DAG合成酶，参与胞苷二磷酸-二酰甘油合成。体外补充磷脂酰肌醇以及过表达磷脂酰肌醇合成酶基因OsPIS1能够部分回补rbl1突变体的表型，表明RBL1通过调控磷脂酰肌醇的生物合成来控制程序性细胞死亡和免疫。

进一步分析显示，rbl1突变体细胞膜PI(4,5)P2含量较野生型显著减少。同时发现，水稻PI(4,5)P2在稻瘟病菌侵染时被招募到侵染菌丝周围，并在稻瘟病菌效应蛋白分泌结构中富集，作者同时统计了野生型和突变体中BIC形成情况，发现rbl1突变体中BIC形成率相比野生型明显下降，并且侵染菌丝周围的PI(4,5)P2荧光强度也明显减弱，这些结果表明PI(4,5)P2在水稻-稻瘟病菌互作中发挥重要作用（图1）。可进一步推测，抑制或破坏病原菌特异侵染结构的形成可能是平衡产量和免疫的一种新策略。

图1. RBL1工作模型

rbl1类病斑突变体株系虽具广谱抗病性但产量极低，研究团队通过对RBL1基因编码区多位点进行编辑，创制了一个整码编辑新基因RBL1Δ12，rbl1Δ12株系只在成株期呈现微弱的类病斑表型。研究发现，RBL1Δ12基因显著增强了水稻对不同地区分离的10个稻瘟菌、5个白叶枯菌和2个稻曲菌生理小种的抗性。大田试验分析发现，rbl1Δ12株系稳产且具有显著的抗稻瘟病能力，在稻瘟病害严重发生时能够挽救约40%产量损失（图2）。因此RBL1Δ12在抗病育种中展现出巨大应用潜力。初步研究表明该基因在不同作物如小麦、玉米等作物中高度保守，也为小麦、玉米等粮食作物抗病育种提供了借鉴。该研究模式也为类病斑突变体储备资源的利用提供了借鉴。该研究成果对扩大抗病基因来源，推动作物抗病育种、植物病害绿色防控，保障国家粮食安全有重要意义。

值得一提的是，Nature特邀作者以Research Briefing形式对该成果进行科普性报道，并得到国内外同行高度评价。

图2. rbl1Δ12株系抗病性显著增强

华中农业大学农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室李国田教授和加州大学戴维斯分校/劳伦斯伯克利国家实验室Pamela C. Ronald院士为该论文共同通讯作者。李国田教授团队博士研究生沙干、孙鹏为本论文共同第一作者，课题组多位学生参与。

西北农林科技大学康振生院士、法国波尔多大学Yohann Boutté教授、作物遗传改良全国重点实验室郭亮教授、李强教授和谢卡斌教授、江西省农业科学院水稻研究所黄仁良副研究员、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室郑露副教授、深圳华大生命科学研究院丘璨瑜副研究员、山东省农科院徐建第研究员、澳大利亚阿德莱德大学Jenny Mortimer教授等国内外科研机构合作者参与研究。

相关论文信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06205-2

6月14日，武汉大学生命科学学院、杂交水稻全国重点实验室何光存教授课题组在Nature发表了题为“A tripartite rheostat controls self-regulated host-plant resistance to insect”的研究论文。该研究发现了首个被植物抗虫蛋白识别并激活抗性反应的昆虫效应子，并揭示了BISP-BPH14-OsNBR1互作系统精细调控抗性-生长平衡的新机制，为开发高产、抗虫水稻品种提供了重大理论和应用基础，也为其它粮食作物新型抗虫、抗病机理的研究提供了新思路。

在植物与昆虫的长期军备竞赛中，植物已经发展出复杂的防御系统来对抗植食性昆虫危害。植物利用类受体蛋白激酶（receptor-like kinases）和细胞内NLR（nucleotide-binding leucine-rich repeat）受体赋予寄主植物对植食性害虫的抗性(host-plant resistance, HPR）。植食性昆虫取食过程中，向寄主植物分泌唾液以促进自身的取食。过去的十几年间，植物体内直接或间接监测昆虫效应蛋白（effector）的NLR受体已被成功分离，然而，被植物NLR识别并触发寄主抗虫反应的昆虫效应蛋白一直未被发现。寄主植物如何识别昆虫，并精密部署和调节自身抗性的机制仍未可知。

褐飞虱是水稻生产中的首要害虫，常年肆虐188体育在线：及世界各国稻区，直接吸食水稻汁液并传播病毒病，引起植株枯萎死亡，严重时导致颗粒无收。利用寄主植物抗性控制褐飞虱的侵害是重要措施。何光存教授课题组应用图位克隆法在国际上首次分离了水稻抗褐飞虱基因Bph14。该基因编码一个NLR蛋白。该研究通过酵母双杂交筛选到与BPH14互作的褐飞虱唾液蛋白BISP（BPH14-Interacting Salivary Protein）。BISP在褐飞虱唾液腺中大量表达，并随褐飞虱的取食被分泌到水稻组织。

该研究发现，BISP被褐飞虱分泌进入水稻后与水稻细胞质激酶OsRLCK185结合，降低OsRLCK185的激酶活性从而抑制水稻基础防御反应。另外，褐飞虱取食含Bph14的水稻过程中，BISP作为昆虫效应子被BPH14识别并激活抗虫反应。植物抗性的持续激活往往为生长发育带来不利影响，因此，水稻需要精细调控自身抗虫反应以兼顾自身的正常生长发育。

该研究结果表明，BISP进入水稻与BPH14互作，并与细胞自噬受体OsNBR1结合，OsNBR1与OsATG8的进一步结合，最终导致BISP经自噬途径降解。当褐飞虱停止取食后，水稻组织中残留的BISP蛋白在48h内被完全降解，使Bph14介导的抗虫反应强度下降直至终止，恢复水稻的正常生长发育。BISP-BPH14-OsNBR1互作系统精细调控抗性-生长平衡的新机制，既促进了水稻的抗虫功能又能不影响水稻产量。

图1 BISP调控水稻防御反应的工作模式图。

综上所述，该研究不仅鉴定了首个被植物抗虫受体识别并触发寄主植物抗虫反应的昆虫唾液蛋白，同时也揭示了BISP-BPH14-OsNBR1互作系统精细调控抗性-生长平衡的新机制，为开发绿色、抗虫且高产的水稻提供了新的理论和实践依据。

武汉大学生命科学学院博士后郭建平、博士生王卉颖和关伟为本论文的第一作者，何光存教授为通讯作者。同时，本项研究获得了武汉大学朱玉贤院士，华中农业大学张启发院士，美国加州大学河滨分校Linda Walling教授以及何光存教授课题组其他成员的倾情帮助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06197-z