07月29日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》發(fā)表題為“Cloning southern corn rust resistant gene RppK and its cognate gene AvrRppK from Puccinia polysora”的研究論文。該研究成功克隆了廣譜持久抗玉米南方銹病基因RppK。感病條件下，該基因能顯著提高玉米對南方銹病的抗性，并增加產(chǎn)量11.9%-17.1%；而正常條件下，該基因?qū)Ξa(chǎn)量沒有影響。

 

　　南方銹病是當(dāng)下黃淮海玉米產(chǎn)區(qū)重要病害之一，而玉米南方銹病（Southern corn rust，SCR）是由活體營養(yǎng)型真菌Puccinia polysora引起的世界性重要玉米病害。該病害可引起玉米減產(chǎn)20%-30%，嚴(yán)重時(shí)減產(chǎn)50%以上。最近幾年，玉米南方銹病在黃淮海夏玉米區(qū)和南方玉米種植區(qū)呈現(xiàn)大面積流行趨勢，全國年發(fā)病面積在500萬公頃以上，嚴(yán)重危害我國玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)。控制該病害最經(jīng)濟(jì)有效的方法是挖掘和利用抗病基因進(jìn)行抗病品種選育。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米團(tuán)隊(duì)鑒定到一個(gè)廣譜抗病基因RppK及其效應(yīng)因子AvrRppK，并解析了其抗病機(jī)制。通過克隆RppK對應(yīng)的南方銹病菌效應(yīng)分子AvrRppK，發(fā)現(xiàn)該效應(yīng)蛋白在南方銹病菌的所有分離菌株中都存在且100%保守，進(jìn)一步揭示了RppK基因廣譜抗玉米南方銹病的分子機(jī)制。該基因具有重要的育種應(yīng)用價(jià)值，改良的抗病品種已于2019年開始推廣應(yīng)用，目前還在為國內(nèi)多家種業(yè)公司的10多個(gè)玉米骨干自交系進(jìn)行抗病改良工作。

 

　　玉米研究團(tuán)隊(duì)于2011年在500多份自然變異群體中篩選到廣譜持久的抗南方銹病自交系材料K22。后續(xù)利用遺傳連鎖群體，在玉米第10號染色體短臂上鑒定到抗南方銹病主效位點(diǎn)，并采用圖位克隆方法成功分離到一個(gè)NLR家族的抗病基因RppK。遺傳互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)表明，RppK基因不僅能夠賦予玉米對南方銹病菌多個(gè)生理小種的廣譜高抗表型。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該基因是通過基因組不對稱交換產(chǎn)生的一個(gè)新基因，對500多份具有代表性的自交系分析發(fā)現(xiàn)，僅有不到3%的材料的基因組含有該基因，而絕大部分玉米育種材料基因組不存在這個(gè)基因。把該基因?qū)氲讲煌挠衩走z傳背景材料中均能顯著提高對南方銹病的抗性，有重要的育種應(yīng)用價(jià)值。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)與北京農(nóng)林科學(xué)院趙久然研究員團(tuán)隊(duì)合作，對大面積推廣的玉米雜交種“京科968”的親本進(jìn)行抗病的分子標(biāo)記輔助選擇，組配出抗南方銹病的改良品種。多年多點(diǎn)的田間小區(qū)試驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在南方銹病發(fā)病的試驗(yàn)點(diǎn)，改良品種的抗病性顯著高于“京科968”，產(chǎn)量比京科968增加11.9%-17.1%。同時(shí)，在南方銹病不發(fā)生的試驗(yàn)點(diǎn)，改良品種與京科968在產(chǎn)量和重要農(nóng)藝性狀上均沒有顯著差異。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)采用分子輔助育種和轉(zhuǎn)基因育種策略，進(jìn)一步改良了8個(gè)正在生產(chǎn)應(yīng)用的玉米雜交種，田間試驗(yàn)均獲得類似的結(jié)論，在南方銹病發(fā)病條件下，RppK基因能顯著增強(qiáng)玉米抗病性同時(shí)提高產(chǎn)量；在不發(fā)病條件下，該基因的導(dǎo)入對產(chǎn)量和重要農(nóng)藝性狀沒有負(fù)面影響。由此，證實(shí)RppK基因?qū)τ衩卓鼓戏戒P病的遺傳改良具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。應(yīng)國內(nèi)多家種業(yè)公司的要求，目前正對他們的核心材料進(jìn)行抗病改良工作。

 

　　為了進(jìn)一步探究RppK廣譜抗南方銹病的分子機(jī)制，該研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合大規(guī)模原生質(zhì)體篩選、煙草瞬時(shí)表達(dá)和AvrRppK蛋白注射實(shí)驗(yàn)從南方銹病病原菌P. polysora中克隆到RppK識別的效應(yīng)因子AvrRppK。測序分析發(fā)現(xiàn)，AvrRppK基因在所有的分離菌株（來源于海南、廣西、湖北等玉米種植區(qū)）中都存在，且其DNA序列100%保守。此外，在玉米中表達(dá)AvrRppK基因能夠有效抑制幾丁質(zhì)激活的PTI反應(yīng)并提高玉米對南方銹病的感病性。由此證實(shí)，AvrRppK蛋白是P. polysora的核心效應(yīng)因子。鑒于RppK基因廣譜持久的發(fā)揮南方銹病抗性和AvrRppK基因的核心效應(yīng)蛋白特性，本研究證實(shí)了利用識別核心效應(yīng)子的單個(gè)NLR基因足以賦予作物對特定病原菌的廣譜抗病性。

 

　　華中農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和湖北洪山實(shí)驗(yàn)室的賴志兵教授和嚴(yán)建兵教授為該論文的共同通訊作者。博士后陳庚申、張報(bào)，已畢業(yè)博士生王宏澤，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)丁俊強(qiáng)教授為該論文的共同第一作者。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金的資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　Broad-spectrum resistance has great values for crop breeding. However, its mechanisms are largely unknown. Here, we report the cloning of a maize NLR gene, RppK, for resistance against southern corn rust （SCR） and its cognate Avr gene, AvrRppK, from Puccinia polysora （the causal pathogen of SCR）。 The AvrRppK gene has no sequence variation in all examined isolates. It has high expression level during infection and can suppress pattern-triggered immunity （PTI）。 Further, the introgression of RppK into maize inbred lines and hybrids enhances resistance against multiple isolates of P. polysora, thereby increasing yield in the presence of SCR. Together, we show that RppK is involved in resistance against multiple P. polysora isolates and it can recognize AvrRppK, which is broadly distributed and conserved in P. polysora isolates.

 

　　論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32026-4