Nature Plants | 四川农大报道全新的水稻广谱抗性基因及其通路

2023-03-08 22:46:12, 景杰生物杭州景杰生物科技股份有限公司

景杰生物 | 报道

水稻是全球最重要的粮食作物之一，长期受到稻瘟病、纹枯病、白叶枯病等主要病害的威胁。具有广谱抗性位点的作物在农业生产中是非常有优势的，这些位点通常赋予作物对于大多数病原体或多种病原体物种的抗性。培育与利用多病害抗性作物品种是防治病害最经济有效且环保的方法，而鉴定新的抗病基因及其对应的信号通路、尤其是多病害抗性基因是抗病育种的关键。

近日，四川农业大学王文明教授团队在植物学领域权威期刊Nature Plants上发表了题为“A natural allele of proteasome maturation factor improves rice resistance to multiple pathogens”的研究论文。该研究从杂交水稻优质恢复系中发现一个多病害抗性、稳产新基因-UMP1^R2115，并利用蛋白质组学技术揭示了一条解除植物免疫抑制的广谱抗病通路。景杰生物为该研究提供了泛素化修饰抗体。

雅恢2115是四川农业大学培育的一个优质多抗超级稻恢复系，对稻瘟病具有广谱抗性。为了挖掘雅恢2115中的广谱抗稻瘟病基因，研究者首先利用转录组学技术从雅恢2115中挖掘到一批广谱抗病候选基因，其中一个编码蛋白酶体成熟因子的OsUMP1基因只在雅恢2115中被稻瘟菌诱导表达，而在小种特异性抗病材料及感病材料中不被诱导。

图1 OsUMP1基因只在雅恢2115中被稻瘟菌诱导表达

在研究OsUMP1基因介导稻瘟病抗性的机理时，研究者发现OsUMP1基因激活水稻免疫是受病原真菌、细菌的“外衣”诱导的。据此推测，OsUMP1基因可能对多种病原真菌或细菌均具有抗性。将雅恢2115中的OsUMP1基因导入到感病水稻中，能够提高水稻对多个稻瘟菌菌株的抗性，同时可显著增强对稻曲病、纹枯病、白叶枯病等多种病害的抗性，而且其对水稻主要农艺性状和产量没有明显影响。

图2 OsUMP1基因促进对多种病原体的抗性而不造成产量损失

研究团队通过蛋白质组学分析及生理生化与遗传学实验进一步探索OsUMP1的抗性机制。研究者检测了UMP1^R2115-1和TP309之间的蛋白质组变化，共鉴定到2767种蛋白质。与TP309相比，UMP1^R2115-1中有149种蛋白质表达水平显著上升，103种蛋白表达水平显著下降。通过进一步研究证明，在病原菌入侵时，OsUMP1通过增加水稻26S蛋白酶体的生物合成与活性，促进过氧化物酶APX8和过氧化氢酶CatB的降解，提高侵染位点过氧化氢的积累，从而增强水稻对多种病原菌的抵御能力。

图3 OsUMP1调节蛋白酶体和ros清除酶的丰度以维持H2O2的稳态

综上所述，该研究从雅恢2115中挖掘到一个编码蛋白酶体成熟因子的天然等位基因UMP1^R2115。雅恢2115中的UMP1^R2115是一个稀有的天然等位基因，具有导入到其他水稻品种的应用潜力。将UMP1^R2115导入到感病水稻品种中，不仅能提高水稻对稻瘟病、稻曲病、纹枯病、白叶枯病等多种病害的抗性，而且对水稻主要农艺性状和产量没有明显影响。

研究还揭示了一条UMP1^R2115解除植物免疫抑制的广谱抗病通路：在病原菌入侵时，UMP1^R2115通过增加水稻26S蛋白酶体的生物合成与活性，促进过氧化物酶APX8和过氧化氢酶CatB的降解，提高侵染位点过氧化氢的积累，从而增强水稻对多种病原菌的抵御能力。因此，UMP1^R2115的发现为培育抗多种病害的高产水稻品种提供了新的基因资源。

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