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(huì)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(duì)該病害的抗病育種進(jìn)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(jī)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(kāi)花授精過(guò)程的同時(shí)會(huì)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室樊晶教授團(tuán)隊(duì)合作題為“

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

研究團(tuán)隊(duì)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(duì)這些基因在稻曲病抗性中的功能進(jìn)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(jìn)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(duì)紋枯病和白葉枯病的抗性；而SWEET11則參與多種病害的感病過(guò)程。比較代謝組分析表明，稻曲菌侵染可能通過(guò)調(diào)控水稻代謝重編程，獲取灌漿相關(guān)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)供己生長(zhǎng)。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(duì)發(fā)病表型和稻曲球數(shù)進(jìn)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(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)。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(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)。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(guò)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(shí)共同上調(diào)的代謝物熱圖。X：對(duì)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(shí)的差異代謝物進(jìn)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(yíng)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(guò)基因編輯提高水稻稻曲病抗性提供新的基因靶點(diǎn)。

作者簡(jiǎn)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(guó)家實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。