专家点评Mol. Plant | 上海交大陈功友课题组开辟广谱抗白叶枯病育种新途径

2019年9月5日，上海交通大学陈功友教授团队在Molecular Plant在线发表了题为Engineering broad-spectrum bacterial blight resistance by simultaneously disrupting variable TALE-binding elements of multiple susceptibility genes in rice 的论文，报道了广谱抗白叶枯病育种新途径。该研究揭示了病原菌效应蛋白PthXo2与植物感病基因 (SWEET13) 间的协同进化关系，提出了利用基因编辑技术阻断病原菌效应蛋白与植物感病基因间的协同进化，从而使植物因丧失效应蛋白诱导的感病性 (ETS) 而获得广谱抗病 (RLS) 的新途径。该研究是植物抗病领域的重要进展，南京农业大学窦道龙教授对该研究做了专业点评，以飨读者。

专家点评

窦道龙（南京农业大学教授）

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利用作物抗病性是防控植物病害的最经济最环保最有效的途径，传统上科学家们利用抗病基因聚合育种以及持久广谱抗病资源等技术获得的抗病品种，虽然非常有效，但生产中抗病品种的常年大面积种植，常伴随着抗性丧失使得病害再次暴发成灾问题。因此，应对作物抗病性丧失一直是植物病理学和作物抗病育种领域的热点与难点。最近，上海交通大学陈功友教授团队精确编辑多个感病基因，实现了水稻对白叶枯病不同小种的广谱抗性，为作物抗病育种和抗性丧失治理提供了新思路。

水稻白叶枯病菌为黄单胞菌属。该属病原菌种类繁多，可以在水稻、辣椒、香蕉、柑橘、小麦、番茄和十字花科蔬菜等作物上引起多种重要病害。有趣的是，该属病原菌在侵染寄主植物时产生一类独特的致病蛋白TALEs (Transcription activator-like effectors)。TALEs具有保守的蛋白质结构域组合，一端具有酸性的转录激活域，中间有34 个氨基酸重复单元的DNA结合区，其中的第12位和13位氨基酸高度变异，负责靶向特定的寄主DNA序列。每个TALE特异性地激活寄主靶标基因的表达，从而调控寄主的抗病性或感病性。激活植物感病基因的TALE，则为病原菌的致病关键效应子 (Effector)。水稻编码22个SWEET基因，具有蔗糖或果糖运输功能，白叶枯菌会利用TALEs劫持这些基因的表达，为病原菌提供糖源来创造有利于侵染的条件，其中效应子PthXo1特异性地与SWEET11基因的启动子结合，激活该基因的表达；PthXo2靶向SWEET13基因的启动子，而SWEET14基因可以被PthXo3等4个效应子激活。这种特异性的对应关系符合抗病中的‘基因对基因’学说，水稻中的SWEET11、SWEET13和SWEET14基因是3个已知的感病基因，这三个基因的启动子突变后会分别逃脱相应效应子的识别，即为抗病育种时利用的隐性抗病基因xa13、xa25和xa41(t)。利用这些隐性抗病基因时，由于病原菌群体和效应子的复杂性，使得它们介导的抗性有效范围窄且抗性易丧失。黄单胞菌属细菌效应子与寄主感病基因之间的对应关系和相互‘博弈’，为植物-病原菌互作研究提供了良好的模式，历史上科学家曾经利用TALEs这种DNA结合特性，结合核酸酶开发出了第一代基因编辑技术，也有科学家提出假说，认为精确编辑TALEs的靶标DNA避免病原菌效应子的结合可以实现作物的广谱抗病。

水稻品种Kitaake含有隐性抗病基因xa25，该基因是SWEET13感病基因的抗病单倍型，为水稻上目前广为使用的抗病资源。陈功友教授团队在此品种中编辑了SWEET11和SWEET14两个基因的启动子，这样使得基因编辑后代理论上聚合了xa13、xa25和xa41(t)这三个隐性抗病基因，将对含有PthXo1, PthXo2和 PthXo3等效应子的白叶枯菌小种都有抗性，但有意思的是，发现它们依然对检测的134份菌株中的10个感病；他们从这些感病菌株中鉴定了一组新的致病效应子单倍型 (PthXo2类似效应子)，发现它们依然能有效激活隐性抗病基因xa25的表达，突破该基因介导的抗病性；他们系统分析了3000份水稻品种中的xa25启动子区的不同单倍型，进一步揭示了它们和不同PthXo2类似效应子的对应关系，由此对水稻品种Kitaake中的xa25基因启动子区进行了新一轮的基因编辑，产生的水稻后代对所有的134份菌株都有了广谱抗性。该研究经过上述一系列设计精妙的实验，对3个基因的启动子区同时进行了有目的的精确编辑，使得后代对现有白叶枯菌小种都呈现广谱抗性。

该研究在证明了编辑多个感病基因实现作物广谱抗病性的可行性，为水稻白叶枯病的防治提供了新的材料和方案。该思路不是直接利用作物抗病基因而是精确改造感病基因，为作物抗病育种和抗性丧失治理提供了新的模式，具有重要理论和实践意义。

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论文解读

在农业生态系统中，植物与病原物之间的协同进化通常用“红皇后假说 (the Red Queen's hypothesis)”或者“军备竞赛(arms race)”来描述。“魔鬼”病原菌产生毒性蛋白作用于植物的感病基因，使植物发病 (ETS)；同时“神道”的植物变异感病基因从而逃逸病原菌毒性蛋白的识别，植物抗病 (RLS)。

由模式生物稻黄单胞菌 (Xanthomonas oryzae) 引起的水稻白叶枯病是水稻生产中的重要病害。在病原菌与植物的这场没有硝烟的“战争”中，稻黄单胞菌通过III型分泌系统 (T3SS)“暗渡陈仓”，将一类被称为转录激活类效应蛋白 (TALE) 的“间谍”送入寄主植物细胞核内。TALE识别并结合在植物感病基因启动子的EBE上，激活感病基因表达，从内部“攻破”植物的防线，从而使植物感病 (ETS)。陈功友课题组通过基因编辑技术 (CRISPR/Cas9) 对水稻品种Kitaake的3个感病基因(OsSWEET11、OsSWEET13 和OsSWEET14)的EBE进行基因编辑时发现，对应OsSWEET13的EBE位点，白叶枯病菌有五种类型的PthXo2-like效应蛋白，而水稻中的OsSWEET13的EBE位点存在十种单倍型，显示了病原菌与寄主植物间的协同的“军备竞赛”。最终通过3个感病基因EBE的修饰，培育了广谱抗白叶枯病的水稻新种质。

基因编辑水稻白叶枯病感病基因EBE位点培育广谱抗白叶枯病新种质示意图

稻黄单胞菌引起的水稻白叶枯病是水稻生产上的主要病害之一，在全球范围内分布广、危害重。上海交通大学水稻细菌病害研究团队长期聚焦于水稻与稻黄单胞菌的分子互作，以病原菌的致病因子——TALE为分子探针，就其作用于水稻的抗病基因或感病基因的分子机制进行了系统研究，为培育作物的广谱抗病性提供了系列具有自主知识产权的重要基因资源 (Molecular Plant Pathology, 2018; Molecular Plant, 2014; Nature Communications, 2016)。此次发现的PthXo2-like的TALE，作用于不同的OsSWEET13感病基因，将病原菌与植物的“军备竞赛”认识上升到了一个新的层次，同时还开辟了不利用植物抗病基因而培育植物广谱抗病的育种新途径。

上海交通大学农业与生物学院博士研究生徐正银为论文第一作者，邹丽芳副教授和陈功友教授为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目和转基因重大专项等项目的资助。

原文链接:

www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(19)30289-8