稻曲病是水稻生產(chǎn)中最具威脅的穗部病害之一，不僅導(dǎo)致產(chǎn)量與品質(zhì)下降，還會產(chǎn)生多種真菌毒素，危害人畜健康。然而，抗稻曲病的遺傳種質(zhì)資源和基因資源匱乏，嚴(yán)重制約了針對該病害的抗病育種進程。因此，挖掘并編輯稻曲病感病相關(guān)基因并解析其分子機制，成為培育持久抗稻曲病品種的關(guān)鍵突破口。已知稻曲病菌在干擾水稻正常開花授精過程的同時會反常激活灌漿相關(guān)基因的表達(dá)，但是目前為止，水稻籽粒灌漿相關(guān)基因在稻曲病抗性中的作用尚不清楚。

近日，Journal of Genetics and Genomics在線發(fā)表四川農(nóng)業(yè)大學(xué)王文明教授和四川農(nóng)業(yè)大學(xué)/崖州灣國家實驗室樊晶教授團隊合作題為“

Improving rice false smut resistance by editing grain-filling-related genes

研究團隊此前鑒定到一批在稻曲菌侵染后顯著上調(diào)表達(dá)的水稻籽粒灌漿相關(guān)基因，包括RISBZ1、RPBF、SWEET11、SWEET15、Wx、AGPL2和GIF1。該研究首先對這些基因在稻曲病抗性中的功能進行鑒定。與野生型相比，RISBZ1敲除突變體的稻曲病病粒數(shù)減少15%–27%，總病粒重量顯著降低；SWEET11突變體的病粒數(shù)減少約30%；而其它灌漿相關(guān)基因如RPBF、GIF1等的突變體則未表現(xiàn)出明顯抗病性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，RISBZ1是稻曲病特異性感病因子，其突變不影響水稻對紋枯病和白葉枯病的抗性；而SWEET11則參與多種病害的感病過程。比較代謝組分析表明，稻曲菌侵染可能通過調(diào)控水稻代謝重編程，獲取灌漿相關(guān)的營養(yǎng)物質(zhì)供己生長。risbz1突變體中相關(guān)代謝物積累的減少可能是其稻曲病易感性降低的原因。

基因編輯水稻籽粒灌漿相關(guān)基因能夠提高稻曲病抗性

A：水稻籽粒灌漿相關(guān)基因突變體的突變類型。B–Q：在水稻孕穗晚期，將稻曲病菌接種于risbz1 (B,C,F,G)、rpbf (D和E)、gif1 (H和I)、sweet11 (J和K)、sweet15 (L和M)、agpl2 (N和O) 或 wx (P和Q) 突變體的穗部，四周后對發(fā)病表型和稻曲球數(shù)進行記錄。R和T：接種紋枯病菌2天后，突變體risbz1 (R)和sweet11 (T)葉片的發(fā)病表型和病斑長度統(tǒng)計。S和U：接種白葉枯菌14天后，突變體risbz1 (S)和sweet11 (U)葉片的發(fā)病表型和病斑長度統(tǒng)計。V：risbz1突變體和野生型Q455水稻穎花在稻曲菌侵染和籽粒灌漿過程中的差異代謝物熱圖。W：野生型Q455在籽粒灌漿初期和受稻曲菌侵染9天時共同上調(diào)的代謝物熱圖。X：對野生型Q455與突變體risbz1之間的差異代謝物及risbz1突變體受稻曲菌侵染5天時的差異代謝物進行韋恩分析。

綜上所述，該研究明確了水稻籽粒灌漿相關(guān)基因在稻曲病抗性中的直接作用，發(fā)現(xiàn)籽粒灌漿營養(yǎng)代謝通路與稻曲病致病性二者之間的相關(guān)性，為通過基因編輯提高水稻稻曲病抗性提供新的基因靶點。

作者簡介

四川農(nóng)業(yè)大學(xué)劉杰博士為該論文第一作者，四川農(nóng)業(yè)大學(xué)/崖州灣國家實驗室樊晶教授和四川農(nóng)業(yè)大學(xué)王文明教授為共同通訊作者。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金等項目資助。