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揭示水稻產量與抗病性協同調控機制

發布時間:2019-09-09 17:12 作者:admin 來源:未知 點擊: 字號:

陳學偉、李家洋等團隊合作揭示水稻產量與抗病性協同調控機制

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  作物病害嚴重影響作物生長,造成產量損失,并威脅糧食安全。抗病性強的作物品種可以有效的控制病害,然而高抗性經常以“犧牲”產量為代價【1,2】。因此,培育既抗病又高產的品種對于保障糧食作物安全生產具有重要意義。2018年9月7日,四川農業大學陳學偉團隊與中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士團隊以及加州大學戴維斯分校Pamela Ronald團隊在Science雜志在線發表了題為“A single transcription factor promotes both yield and immunity in rice”的研究論文,報道了在水稻產量與抗病協同調控機制研究中的最新進展。該研究發現了水稻理想株型建成的關鍵基因IPA1在水稻稻瘟病抗病過程中的作用,并揭示了IPA1既能提高產量又能提高水稻對稻瘟病的抗性的調控新機制。

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  培育高產抗病品種是水稻等糧食作物安全生產的重要保障。傳統觀點認為,植物抗病與產量之間存在此消彼長的關系,猶如魚與熊掌不可兼得。植物受到病原菌侵害時,為達到生存目的,會優先將物質能量代謝用于抵御病害,其不利結果是使植物發育受阻。深入解析水稻發育與抗性的協同調控機制,對于培育高產高抗水稻品種具有重要意義。近年來,雖然已報道了多個基因在提高植物抗性的同時不影響產量。但是,同時增加植物的產量并提高抗性的單個基因尚未報道。

  IPA1 (Ideal Plant Architectutre1) 編碼植物所特有的SPL(SQUAMOSA promoter binding protein-like)轉錄因子家族成員OsSPL14,可以直接結合并激活發育相關基因如DEP1(Dense and Erect Panicle 1)的表達,是水稻理想株型建成的核心元件之一【3-5】。IPA1的功能獲得性突變體植株具有莖稈粗壯、無效分蘗數減少、穗子變大、產量增加等優良農藝性狀【4】該基因已應用于培育“嘉優中科”系列高產抗病水稻新品種。

  在這項最新的研究中,研究人員發現,IPA1不僅能增加水稻產量,還可以提高水稻對稻瘟病的抗性。進一步研究發現,IPA1的磷酸化修飾是平衡產量與抗性的關鍵調節樞紐。IPA1受稻瘟病菌誘導磷酸化,該磷酸化能改變IPA1與DNA序列的結合特性。通常情況下,IPA1結合DEP1等穗發育相關基因的啟動子,促進其表達,負責水稻理想株型的建成,調控水稻產量;而受稻瘟病菌誘導磷酸化后的IPA1更傾向于結合抗病相關基因WRKY45的啟動子,促進其表達,增強免疫反應,提高抗病性。

  該研究進一步發現,在稻瘟病菌侵染6至12小時,水稻體內IPA1的磷酸化受誘導程度達到峰值,隨后逐漸降低,并在24至48小時后恢復到正常水平。這個結果表明,水稻體內的免疫系統被激活后,IPA1很快恢復到低磷酸化狀態,以保證水稻發育的正常進行。

  綜上所述,IPA1在正常條件下促進生長發育,而在稻瘟病菌侵染時受誘導磷酸化提高免疫反應(圖),這一機制既能增加水稻產量又能提高稻瘟病抗性,打破了單個基因不可能同時實現增產和抗病的傳統觀點,為高產高抗育種提供了重要理論基礎和實際應用新途徑。

  四川農業大學副研究員王靜、碩士研究生周練、石輝、美國戴維斯分校Mawsheng Chern博士和中國科學院遺傳與發育生物學研究所的余泓副研究員為該論文第一作者;陳學偉研究員、李家洋研究員和王靜副研究員為論文通訊作者。該項目受到來自國家自然科學基金委、教育部新世紀優秀人才計劃和科技部重點研發計劃(主要農作物抗病蟲抗逆性狀形成的分子基礎)等的經費資助。

  該成果是陳學偉團隊繼2017年6月在Cell報道了水稻新型廣譜持久抗病的分子機理之后又一重要成果。值得一提的是,Cell發表的關于水稻新型廣譜抗病遺傳基礎發現與機制解析這一成果入選2017年度“中國生命科學十大進展”。

  參考資料:

  參考資料:
  1. J. K. Brown, A cost of disease resistance: paradigm or peculiarity?. TRENDS GENET. 19, 667-671 (2003).
  2. R. Nelson et al., Navigating complexity to breed disease-resistant crops. NAT. REV. GENET. 19, 21-33 (2018).
  3. Y. Jiao et al., Regulation of OsSPL14 by OsmiR156 defines ideal plant architecture in rice. NAT. GENET. 42, 541-544 (2010).
  4. K. Miura et al., OsSPL14 promotes panicle branching and higher grain productivity in rice. NAT. GENET. 42, 545-549 (2010).
  5. Z. Lu et al., Genome-wide binding analysis of the transcription activator ideal plant architecture1 reveals a complex network regulating rice plant architecture. PLANT CELL 25, 3743-3759 (2013).

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