川农首篇Cell论文聚焦水稻广谱抗稻瘟病研究【专家点评】丨BioArt特别推荐
BioArt按：水稻是人类最重要的粮食作物，然而稻瘟病常年肆虐我国及世界上各个稻区，能引起水稻大幅度减产甚至绝收，是水稻生产上的最重要病害，也是全球粮食安全的重大隐患。因此提高水稻对稻瘟菌的持久广谱抗性一直以来都是水稻抗病育种工作的难点问题。虽然人类在长期的农业生产中选择出少量具有广谱抗性的水稻材料，然而这类抗性背后的作用机制一直不清楚。此外，由于抗病基因的导入往往伴随不良农艺性状的产生，这也大大增加了水稻抗病品种选育的难度。因此，深入发掘和利用水稻抗稻瘟病的抗源，加深对抗病基因的遗传分析和功能研究才是抗病育种开展的基础。6月29日，四川农业大学水稻研究所陈学伟教授团队在Cell杂志发表了题为“A Natural Allele of a Transcription Factor in Rice Confers Broad-Spectrum Blast Resistance”的研究论文，该研究通过大数据分析与遗传、生化、病理等实验方法和技术手段相结合，挖掘了对稻瘟病的新型广谱高抗的水稻遗传资源，阐明了新型广谱持久抗病的分子机理。为水稻稻瘟病广谱抗病育种提供了重大理论和应用基础，也为小麦、玉米等粮食作物相关新型抗病机理的研究和应用提供了重要借鉴。鉴于该工作的重大研究意义，BioArt特别邀请到了长期从事植物病理研究的南京农业大学董莎萌教授和福建农林大学王莫教授撰写了特别评论，以飨读者！据悉，该论文是继中科院植物所种康研究组在Cell发表文章阐明水稻感知寒害的分子机制之后我国水稻领域的第二篇Cell论文，同时也是西南地区的第一篇Cell论文。祝贺陈学伟教授及其领导的团队，同时也祝贺四川农业大学作为 主要完成单位首次在CNS主刊论文上取得突破。
论文解读：
水稻是世界约一半人口的口粮。稻瘟病是水稻重大病害之一，严重影响水稻的产量和品质。稻瘟病非病源菌小种特异抗性具有抗谱广和抗病持久的特点，在水稻抗病育种应用中发挥着极其重要的作用。
感染稻瘟病的水稻。图片来源于网络
本研究利用广谱高抗水稻地谷与基因组已经测序的66份非广谱抗病水稻进行GWAS（全基因组关联）分析，并应用高抗水稻地谷与高感材料丽江新团黑谷为亲本构建的重组自交系（抗病性经多年田间自然诱发和苗期接种鉴定）进行共相关分析，发现了编码C2H2类转录因子的基因Bsr-d1的启动子自然变异后对稻瘟病具有广谱持久的抗病性。该等位变异在提高抗病性的同时，对产量性状和稻米品质没有明显影响，因而具有十分重要的应用价值。分析发现全球收集的3000份水稻中有分布于26个国家的313份水稻资源含有该变异位点，表明该位点在育种应用中已获得一定程度的选择，同时也表明该位点还有更大的应用空间。
进一步分析发现在地谷中，基因Bsr-d1的启动子区域因一个关键碱基变异，导致上游MYB转录因子对Bsr-d1的启动子结合增强，从而抑制Bsr-d1响应稻瘟病菌诱导的表达，并导致BSR-D1直接调控的H2O2降解酶基因表达下调，使H2O2降解减弱，细胞内H2O2富集，提高了水稻的免疫反应和抗病性（下图）。由于先前在水稻等植物中尚未报道过C2H2转录因子和MYB转录因子如何协调减弱H2O2的降解来提高广谱抗病性。这一新型广谱抗病机制的发现极大地丰富了水稻免疫反应和抗病分子理论基础。
工作模型示意图
本研究通过大数据分析与遗传、生化、病理等实验方法和技术手段相结合，挖掘了对稻瘟病的新型广谱高抗的水稻遗传资源，阐明了新型广谱持久抗病的分子机理。为水稻稻瘟病广谱抗病育种提供了重大理论和应用基础，也为小麦、玉米等粮食作物相关新型抗病机理的研究和应用提供了重要借鉴。
陈学伟教授与论文第一作者李伟滔副研究员和硕士研究生朱紫薇
据悉，该研究由四川农业大学陈学伟带领的水稻重大病害抗性机制与应用团队主导，在“国家自然科学基金”、“教育部新世纪优秀人才计划”、“国家重点研发计划--七大农作物育种”、“国家转基因生物新品种培育重大专项”、“四川省百人计划”、“四川农业大学学科建设双支计划”、“四川农业大学杰出青年培育计划”和“四川农业大学引进人才启动经费”等的资助下，联合加州大学戴维斯分校、中国科学院遗传与发育生物学研究所等国内外科研机构合作完成。陈学伟团队中的李伟滔副研究员、硕士研究生朱紫薇、加州大学戴维斯分校Mawsheng Chern博士、陈学伟团队中的尹俊杰博士、硕士研究生杨超和冉莉为本论文的共同第一作者，陈学伟研究员为通讯作者。
参与该项工作的研究人员
专家点评：
董莎萌（南京农业大学教授，“青年千人”，国家“优青”）
Comments：水稻是人类最重要的粮食作物，然而稻瘟病常年肆虐我国及世界上各个稻区，能引起水稻大幅度减产甚至绝收，是水稻生产上的最重要病害，也是全球粮食安全的重大隐患。自然界中的水稻群体存在着针对稻瘟病菌的抗性资源，发掘利用这些资源进行抗病品种选育是农业生产上控制稻瘟病重要方法之一。
水稻对稻瘟病菌的抗性主要分为特异性抗性和非特异性抗性两种。特异性抗性具有抗病效果强的特点，然而由于田间失效快，该抗性在农业生产上受到较大限制。非特异性抗性又称广谱抗性，能使水稻对几乎所有稻瘟病菌均具有良好的抗病效果，与特异性抗性相比具有不易被克服，田间效果持久的特点，具有更大应用价值。虽然人类在长期的农业生产中选择出少量具有广谱抗性的水稻材料，然而这类抗性背后的作用机制一直不清楚。
陈学伟教授早在2006年就报道了中国西南地区水稻品种“Digu”中具有广谱抗病性。在本研究中，他领衔的科研团队围绕这一材料开展了一系列基因组学、分子遗传学和细胞生物学研究，系统揭示了一条由两个转录因子共同调节过氧化物酶基因表达，进而影响水稻体内过氧化氢积累的新性广谱抗性途径。该研究先是通过大数据分析鉴定到一个与广谱抗病表型高度关联单核苷酸替换（SNP）位点，该位点位于一个编码C2H2类转录因子基因的启动子区。该团队进而围绕这一SNP位点巧妙地开展了一系列实验，揭示了该转录因子正调控下游过氧化物酶基因表达，以及上游受MYB转录因子负调控该C2H2转录因子表达的一条完整的调控途径。有意思的是：基于全球3000份水稻重测序的数据分析显示，该SNP突变出现的频率为10%，说明该位点在世界各地的水稻生产中被定向地人工选择。
先前植物抗病调控相关转录因子的报道大量集中在WRKY和NAC两类转录因子上，而陈学伟教授团队在这篇论文中一次就报道了C2H2和MYB两类参与水稻的抗病调控过程的新型转录因子，而其相互作用模式在国际上也属首次报道，具有很高的原创性。该工作精确鉴定了一个重要的广谱抗稻瘟病的变异位点，系统阐明了一条全新的水稻广谱抗病调控途径，不但对水稻未来的抗病育种设计提供了重要线索，也拓宽了我们对植物广谱抗性的认识，对其他农作物的抗病研究和育种应用也具有重要的参考价值。
王莫（福建农林大学教授）
Comments：稻瘟病是水稻的主要病害之一，每年都会造成巨大的产量损失。因此提高水稻对稻瘟病的抗性是品种选育的重要衡量指标。生产中普遍利用R基因介导的对含有对应无毒基因的稻瘟菌生理小种所产生的抗性，然而这种抗性的局限在于范围狭窄且难以持久。由于稻瘟菌的毒性发生变异和新小种的产生，通常抗病品种在推广3-5 年后就丧失其抗性。因此提高水稻对稻瘟菌的持久广谱抗性一直以来都是水稻抗病育种工作的难点问题。此外，抗病基因的导入往往伴随不良农艺性状的产生，这也大大增加了水稻抗病品种选育的难度。实践证明，深入发掘和利用水稻抗稻瘟病的抗源，加深对抗病基因的遗传分析和功能研究才是抗病育种开展的基础。
籼稻材料地谷是我国杂交水稻育种过程中重要的稻瘟病抗源之一，其对我国南方籼稻种植区的多个稻瘟菌系表现出高度抗性。四川农业大学的陈学伟教授课题组及其合作科研团队利用生物信息学、传统遗传学以及生物化学等研究方法，经过系统转录水平与抗性关联分析，最终确定地谷中的广谱抗稻瘟病的基因，Bsr-d1。Bsr-d1编码一个C2H2型的转录因子并正调控水稻中两个过氧化物酶基因的转录。该研究还进一步发现MYB转录因子家族成员MYBS1可以结合到Bsr-d1的启动子区域从而负调控Bsr-d1的转录。地谷与其它感病水稻品种相比，Bsr-d1启动子区域中的MYBS1结合位点存在差异，进而导致MYBS1对地谷Bsr-d1的启动子具有更强的结合能力。上述研究成果为我们呈现出一个崭新的水稻免疫转录调控网络：稻瘟菌通过某种未知机制诱导水稻中Bsr-d1转录因子的表达，从而导致水稻体内过氧化物酶水平的升高，这将有助于清除由于宿主PTI通路激活所产生的ROS累积，进而为稻瘟菌的侵染减小压力。而经过长期的水稻抗病育种筛选得到的部分抗病品种中，Bsr-d1的启动子区域发生的突变被保留下来；这种突变使得Bsr-d1的负调控转录因子MYBS1对其拥有更强的结合能力，从而降低了Bsr-d1和其所调控的过氧化物酶的表达，促进了水稻在受到稻瘟菌侵染时ROS的累积，提高水稻对稻瘟菌的广谱抗性。
Bsr-d1抗病位点的发掘在生产中具有重要的应用价值。这是因为Bsr-d1位点在提高抗性的同时不会对农艺性状造成不利影响，这一点正是得利于抗病育种选择的结果。2017年我国在水稻抗稻瘟病领域的研究取得突破性进展，继年初中科院上海植生所何祖华研究员团队在Science上发表水稻广谱持久抗稻瘟病研究文章之后，四川农业大学的陈学伟教授课题组这一篇发表在Cell上的力作再次让我们感受到深入发掘和利用水稻抗稻瘟病的抗源在抗病育种工作开展中的重要性。这些成果凝聚着老一辈的遗传学家、水稻抗病研究者长期的积累和艰辛的付出。这种脚踏实地、持之以恒、严谨务实的工作态度永远值得我们年轻一代科研工作者认真学习。
后记：2017年是我国植物领域重大成果频出的一年，截止到目前（刚好差不多过去半年），除了陈学伟教授团队的这篇Cell论文之外，还有中国农科院黄三文团队关于番茄基因组的Nature封面文章；南京农业大学王源超团队有关植物病原菌Science长文（Research Article）；中科院植生所何祖华团队有关克隆持久广谱抗稻瘟病基因Science论文；中科院植生所王二涛团队Science报道植物-微生物互作的全新机制。由于近些年Cell杂志极少刊登植物领域的成果，所以我国学者在该杂志上发表的植物学相关的研究成果可以用“屈指可数”来形容。据初步统计，Cell主刊文章中（不包括川农这篇），我国作者作为通讯作者的文章103篇（包含多个国家合作的通讯单位），植物类文章8篇（包括2篇综述），水稻方面文章仅1篇（中科院种康组）。农业类高校发表5篇，其中，研究性论文4篇。研究性论文中，通讯作者为第一通讯单位的文章2篇。农业类高校发表的5篇论文详细的内容如下：中国农大2篇（一篇武维华组拟南芥相关，一篇李向东组与中科院北微所高福组寨卡病毒相关），福建农林2篇（均是植物相关，1篇是植物综述文章，通讯作者1个，但是写有2个通讯单位，国内单位排在第1位；1篇是3个通讯单位的拟南芥相关研究的文章，国内单位排在通讯作者单位的第2位），西北农林大学单卫星1篇（大豆相关，是双通讯单位，国内单位排在通讯单位的第2位）。
陈学伟 特聘教授，研究员，博士生导师，国家高层次人才特殊支持计划“万人计划”科技创新领军人才，国家科技部中青年科技创新领军人才，教育部“新世纪优秀人才”，四川省海外引进“百人计划”特聘专家（现更名为“千人计划”），四川省学术与技术带头人，成都市政府特殊津贴获得者。四川农业大学校学术委员会副主任，四川农业大学水稻研究所学术委员会主任，四川农业大学水稻研究所水稻重大病害抗性机理与应用研究室主任，杂交水稻国家重点实验室高级PI（2014年）、国家“2011计划”长江流域杂交水稻协同创新中心（培育）（2012年）高级PI、四川省“2011计划”川粮丰产高效协同创新中心高级PI（2014年）以及四川省教育厅作物重大病害实验室执行主任（2014年）。
1997年、2000年毕业于四川农业大学，先后获得学士和硕士学位，于2003年在中国科学院获得遗传学博士学位，后在中国科学院遗传与发育生物所从事一年研究工作。于2004年赴美国加利福利亚大学国际著名实验室从事水稻抗病分子机理研究和应用工作7年。于2011年回国就职于四川农业大学水稻研究所继续从事水稻重大病害理论与应用研究。先后主持国家自然科学基金委、科技部、农业部、中国科学院、四川省科技厅、四川省委组织部等来源的科研任务10余项，在Cell、Science、PNAS、PLoS Biology等国际顶级杂志上发表论文50余篇，申请获得专利多项。将抗病理论研究应用于水稻抗病育种实践中，与育种家合作育成了多份杂交水稻抗病骨干亲本及杂交水稻抗病新品种，其中包括国家审定品种6个，累计推广面积达6000万亩以上。
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