BZR1-NAC29-NAC31 信号通路：水稻抗纹枯病与分蘖调控的新钥匙

《Phytopathology Research》：BZR1-NAC29-NAC31 signaling promotes the sheath blight resistance and tillering in rice

为解决作物抗病性与产量平衡的难题，研究人员开展了 “BZR1-NAC29-NAC31 信号促进水稻抗纹枯病和分蘖” 的研究。结果发现 BZR1 与 NAC29、NAC31 互作，调控 CAD8B 和 TB1 表达，提升水稻抗性和分蘖。该研究为水稻育种提供新靶点。

　　在广袤的稻田里，水稻作为全球三分之一人口的主食，其产量和健康关乎着粮食安全的大局。然而，纹枯病（Sheath blight，ShB）这个 “恶魔”，正不断侵蚀着水稻的产量，它由立枯丝核菌（Rhizoctonia solani Kühn）引起，能让水稻减产 10% - 30%，严重时甚至高达 50%。在作物育种的道路上，抗病基因的利用常常陷入两难境地。比如 WRKY45，它在稻瘟病抗性中作用关键，但过量表达会导致植物生长缺陷，影响产量；OsNPR1 在诱导稻瘟病抗性时，也会使水稻种子重量、根系、分蘖数和节间伸长出现问题 。这些都表明，寻找能平衡植物免疫和产量的基因迫在眉睫。

沈阳农业大学和南开大学的研究人员挺身而出，聚焦于 “BZR1-NAC29-NAC31 信号促进水稻抗纹枯病和分蘖” 这一主题展开研究。他们发现 BZR1 与 NAC29、NAC31 相互作用，共同调节防御相关基因 CAD8B 和分蘖相关基因 TB1 的表达，进而控制水稻的防御和分蘖过程。这一发现意义重大，为水稻育种提供了新的靶点，有望打破抗病性与产量之间的权衡困境。该研究成果发表在《Phytopathology Research》上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是利用 CRISPR/Cas9 基因编辑技术构建 NAC29 和 NAC31 突变体及过表达植株；二是通过酵母双杂交（Yeast two-hybrid，Y2H）、双分子荧光互补（Bimolecular fluorescence complementation，BiFC）和免疫共沉淀（Co-immunoprecipitation，Co-IP）实验验证蛋白间的相互作用；三是借助实时荧光定量 PCR（Real-time quantitative PCR，RT-qPCR）检测基因表达水平；四是采用转录激活分析探究基因表达的调控机制 。

研究结果如下：

1. BZR1 与 NAC29、NAC31 相互作用：通过 Y2H 筛选，发现 NAC29 和 NAC31 与 BZR1 相互作用。Y2H 实验中，共表达 BD-BZR1 与 AD-NAC29 或 AD-NAC31 的酵母细胞能在 SD-TLH 培养基上生长；BiFC 实验在本氏烟草（Nicotiana benthamiana）叶片中观察到，NAC29 或 NAC31 与 BZR1 共表达时，细胞核出现强荧光信号；Co-IP 实验也证实了它们在本氏烟草叶片中的相互作用。
2. NAC29 与 NAC31 相互作用：系统发育分析表明 NAC29 和 NAC31 属于同一亚组。Y2H 实验显示，表达 BD-NAC29 与 AD-NAC31 的酵母能在 SD-TLH 培养基生长；BiFC 实验中，共表达 NAC29 和 NAC31 的本氏烟草叶片细胞核有强荧光信号，说明二者在细胞核内相互作用形成转录因子复合体。
3. NAC29 和 NAC31 促进水稻抗纹枯病：利用 CRISPR/Cas9 构建 nac29、nac31 及 nac29nac31 双突变体，接种立枯丝核菌后，nac29nac31 双突变体更易感病，病斑长度比野生型长；而 NAC29 和 NAC31 过表达植株对纹枯病的抗性增强，病斑长度显著短于野生型，表明 NAC29 和 NAC31 正向调控水稻对纹枯病的抗性。
4. NAC29/31 正向调控水稻分蘖和粒型：与野生型相比，nac29nac31 突变体分蘖数减少，穗部大小和长度减小，粒型变小，单株粒重降低；NAC29 和 NAC31 过表达植株分蘖数增加，穗部和粒型增大，单株粒重增加约 30%，说明 NAC29 和 NAC31 在控制水稻分蘖和粒型方面发挥重要作用。
5. BZR1-NAC29/31 直接调控 CAD8B 和 TB1：RT-qPCR 结果显示，NAC29 和 NAC31 过表达植株中 TB1 表达显著降低，CAD8B 表达升高。转录激活分析表明，BZR1 与 NAC29 或 NAC31 共表达时，CAD8B 表达增强，TB1 表达抑制，说明 BZR1-NAC29/31 通过激活 CAD8B 和抑制 TB1 表达，增强水稻抗纹枯病能力并促进分蘖。

研究结论和讨论部分指出，水稻作为主要粮食作物，提高其产量和抗病性至关重要。本研究揭示了 BZR1 与 NAC29、NAC31 相互作用，调节 CAD8B 和 TB1 表达，控制水稻防御和分蘖的机制 。NAC29 和 NAC31 在抗纹枯病和提高产量方面表现出重要作用，其过表达可增强水稻抗性且不影响产量，甚至能提高产量 。BZR1-NAC29/31 信号通路通过激活 CAD8B 转录增强水稻抗纹枯病能力，通过抑制 TB1 转录促进水稻分蘖 。此外，NAC29-NAC31 信号可能激活细胞壁生物合成的多个方面，增强对病原体的物理抗性 。这些发现为水稻育种提供了新的理论依据和基因靶点，对保障全球粮食安全具有重要意义。