中科院何祖华研究组发表Science文章

中科院上海植物生理生态研究所何祖华研究组题与合作者完成的关于水稻持久广谱抗病的最新研究成果。该研究成功克隆了持久广谱抗稻瘟病基因Pigm，并揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制。

　　

    2017年2月2日，国际著名学术期刊《科学》在线发表了中科院上海植物生理生态研究所何祖华研究组题与合作者完成的关于水稻持久广谱抗病的最新研究成果为“Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance”的研究论文。该研究成功克隆了持久广谱抗稻瘟病基因Pigm，并揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制。

      稻瘟病是真菌(Magnaporthe oryzae)引起，水稻最重要病害之一。分布在全国乃至世界各稻区，可引起水稻大幅度减产，严重时减产40%～50%，甚至颗粒无收，因此我国水稻新品种审定从2008年开始实行稻瘟病抗性的“一票否决”制。控制这个病害最经济有效的方法是发掘和利用新的广谱持久抗病资源进行选育广谱抗病新品种。截至目前，已有25个抗稻瘟病基因被克隆和功能鉴定，但绝大部分抗谱窄，带这些基因的抗病品种一般推广3年后就被稻瘟病菌克服丧失抗性，在水稻抗病育种上应用价值受到很大限制。另一方面，采用抗病基因聚合方法可以提高水稻抗病性但会影响产量和品质-即存在抗病性代价问题。

      为解决这个长期困扰植物病理和育种界的瓶颈问题，中国科学院上海植物生理生态研究所的何祖华团队与育种家合作，从2002开始，广泛筛选抗瘟种质，从起源于我国农家品种的育种材料中鉴定了一个广谱持久抗瘟性新位点Pigm。采用分子遗传学，分子生物学，生物化学及细胞生物学的手段系统地解析了这个新位点的持久抗病机制。

      研究发现，Pigm是一个包含多个NBS-LRR类抗病基因的基因簇。其中只有2个具有功能的蛋白PigmR和PigmS。PigmR在水稻的叶、茎秆、穗等器官组成型的表达，可以自身互作形成同源二聚体，发挥广谱抗病功能，但PigmR导致水稻千粒重降低，产量下降。与PigmR相反，PigmS受到表观遗传的调控，仅在水稻的花粉中特异高表达，在叶片、茎秆等病原菌侵染的组织部位表达量很低，但可以提高水稻的结实率，抵消PigmR对产量的影响。PigmS可以与PigmR竞争形成异源二聚体抑制PigmR介导的广谱抗病性。但由于PigmS低水平的表达，为病原菌提供了一个“避难所”，病原菌的进化选择压力变小，减缓了病原菌对PigmR的致病性进化，因此Pigm介导的抗病具有持久性。利用Pigm改良选育的品种既有广谱持久抗病性又不影响最终的产量。这个基因已经被国内30多家种子公司和育种单位应用于水稻抗病分子育种，已经有新品种参加区试和品种审定。因此本研究不仅在理论上扩展了植物免疫与抗病性机制的认识，也为作物抗病育种提供了有效的新工具。

      该工作主要由中科院上海植物生理生态研究所副研究员邓一文博士和博士研究生翟科然、谢桢、杨冬勇等在何祖华研究员指导下完成。受中科院先导项目、国家转基因新品种培育重大专项、国家自然科学基金委等资助。

作者简介：

何祖华研究员是著名的植物生理学和病理学家，是国家杰出青年基金获得者，国家“973项目”首席科学家。主要开展模式植物（水稻和拟南芥）抗病调控基因的克隆与信号转导，植物抗病反应与发育的交互作用等研究。近年来在Science、Nature Biotechnology、Nature Genetics、PNAS、Plant Cell等顶级期刊发表多篇重要研究成果。

原文摘要：

Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance

Crop breeding aims to balance disease resistance with yield, however single resistance (R) genes can lead to resistance breakdown and R gene pyramiding may impact growth fitness. Here we report that the rice Pigm locus contains a cluster of genes encoding nucleotide-binding leucine-rich repeat (NLR) receptors that confer durable resistance to the fungus Magnaporthe oryzae without yield penalty. In the cluster, PigmR confers broad-spectrum resistance, whereas PigmS competitively attenuates PigmR homodimerization to suppress resistance. PigmS expression, and thus PigmR-mediated resistance, are subjected to tight epigenetic regulation. PigmS increases seed production to counteract the yield cost induced by PigmR. Therefore, our study reveals a mechanism balancing high disease resistance and yield through epigenetic regulation of paired antagonistic NLRs, providing a tool to develop elite crop varieties.