中国农科院研发出培育广谱高抗白叶枯病水稻新途径

　　2021年5月7日，Molecular Plant在线发表了中国农业科学院作物科学研究所水稻抗病基因发掘与利用研究组的最新研究成果“Engineering Broad-Spectrum Resistance to Bacterial Blight by CRISPR/Cas9-Mediated Precise Homology Directed Repair in Rice”。

　　水稻黄单胞菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）引起的水稻白叶枯病是世界范围内的毁灭性细菌病害。在过去几十年中，挖掘抗病基因并用于培育广谱抗白叶枯病水稻新品种一直是全球水稻研究的一个热点。

　　水稻抗白叶枯病基因Xa23是我国科学家经过30多年不懈努力从我国野生稻资源中发掘的，它是育种家公认的目前最好用的广谱抗白叶枯病基因。Xa23平时不表达（否则植株会死掉），只是在面临病原菌侵染时，水稻细胞中Xa23基因启动子的核心元件EBEAvrxa23能监测到病原菌效应蛋白AvrXa23的出现，于是立刻启动表达，编码出强悍的executor类抗病蛋白XA23，该小蛋白（113个氨基酸）无需通过信号传导激发抗性，而是直接快速杀死被感染的水稻细胞，断绝病原菌的营养供给，从而“饿死”病原菌，保护了其他未被侵染的水稻细胞，最终实现高度抗病。由于病原菌效应蛋白AvrXa23非常保守，几乎所有的白叶枯病菌株均含有AvrXa23，所以携带Xa23基因的水稻表现出非常广谱的白叶枯病抗性。

　　Xa23基因源自野生稻，但有趣的是，Xa23基因的开放读码框（ORFxa23）在栽培稻品种中广泛存在，只是其启动子区缺少能监测病原菌效应蛋白AvrXa23的EBEAvrxa23元件，因此在面临白叶枯病菌侵染时，ORFxa23不能启动表达，所以表现出感病。

　　基于上述研究发现，研究人员猜想，如果将EBEAvrxa23元件置入到感病的栽培稻品种ORFxa23的启动子区，有可能赋予它感知病原菌AvrXa23出现并迅速表达XA23抗病蛋白的能力，从而可能将“感病品种”转变成“抗病品种”。为了验证上述猜想，本文作者利用CRISPR/Cas9介导的同源重组技术把EBEAvrxa23元件定点插入到原本感白叶枯病的水稻品种日本晴的ORFxa23的启动子中，创制出了对供试的20个白叶枯病菌小种全部高抗的基因编辑株系，证明了可以在一年内（两个世代）将一个“感病品种”转变成广谱高抗白叶枯病的水稻品种，而且原品种的株高、旗叶长宽、穗数、穗长、结实率、千粒重、单株产量等性状不受影响。这是对水稻白叶枯病抗性优异基因Xa23和新兴的基因组编辑技术在水稻改良中应用的重大扩展，开创了培育广谱高抗白叶枯病水稻的新途径，为有效利用重要的基因核心元件提供了模型。

　　中国农业科学院作物科学研究所博士研究生卫正为论文的第一作者，赵开军研究员和王春连研究员为文章的共同通讯作者。该研究得到十三五国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国农业科学院科技创新工程等项目的资助。

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