水稻廣譜持久抗病與產(chǎn)量平衡的遺傳與表觀遺傳調(diào)控機(jī)制

稻瘟病是水稻最嚴(yán)重的病害，被稱(chēng)為水稻生產(chǎn)的“癌癥”，廣泛侵染水稻、小麥等禾本科作物，2012?年被列為十大真菌病害之首。我國(guó)稻瘟病年均發(fā)病面積在?8?000?萬(wàn)畝以上，減產(chǎn)?10%—20%，因此我國(guó)水稻新品種審定已實(shí)行稻瘟病抗性的“一票否決”制。生產(chǎn)上最經(jīng)濟(jì)有效的方法是選育廣譜抗病新品種，但長(zhǎng)期以來(lái)缺乏能有效應(yīng)用于育種的廣譜與持久抗瘟基因，一般的抗病基因往往推廣幾年就喪失抗病性，而多個(gè)抗病基因聚合育種往往會(huì)降低產(chǎn)量與品質(zhì)。

為解決這個(gè)長(zhǎng)期的理論與生產(chǎn)問(wèn)題，我們與育種家合作，在不同生態(tài)區(qū)建立稻瘟病抗性自然鑒定病圃。經(jīng)過(guò)多年多點(diǎn)篩選，獲得了一批廣譜持久的抗瘟材料。其中“谷梅?4?號(hào)”抗性表現(xiàn)最突出，優(yōu)于國(guó)際上已知的具有廣譜抗性的Pi-2、Pi-9、Pizt?等，30?多年的田間抗性記錄顯示其抗性可以一直保持?！肮让?4?號(hào)”品種包含一個(gè)廣譜抗病位點(diǎn)，命名為Pigm，該位點(diǎn)定位在第?6?號(hào)染色體上。Pigm?位點(diǎn)包含?13?個(gè)?NLR?類(lèi)抗病基因。功能解析發(fā)現(xiàn)該位點(diǎn)編碼功能性的?NLR?受體蛋白?PigmR?和?PigmS。其中?PigmR?組成型表達(dá)，可形成同源二聚體，控制對(duì)所有檢測(cè)的稻瘟病菌小種的廣譜抗病性，但也存在抗病代價(jià)——使產(chǎn)量降低。而另一個(gè)?NLR?受體蛋白?PigmS?可以競(jìng)爭(zhēng)性地與?PigmR?結(jié)合形成異源二聚體，抑制?PigmR?的抗病功能。在水稻長(zhǎng)期進(jìn)化和馴化過(guò)程中，PigmS?基因的表達(dá)受表觀遺傳調(diào)控，其在花粉中特異性高表達(dá)有利于提高水稻的產(chǎn)量，彌補(bǔ)?PigmR?降低產(chǎn)量的缺陷。正是由于?PigmS?低水平的表達(dá)，為病原菌提供了一個(gè)“避難所”，選擇壓力變小，減緩病原菌對(duì)?PigmR?致病性的進(jìn)化，因此使?Pigm?位點(diǎn)具有持久的抗病性。因此，利用?Pigm?位點(diǎn)選育的品種既有廣譜抗病性又不影響最終的產(chǎn)量。

該研究發(fā)現(xiàn)植物采用表觀遺傳方式，精妙調(diào)控一對(duì)功能拮抗的免疫受體蛋白協(xié)調(diào)廣譜抗病與產(chǎn)量平衡的新機(jī)制，是植物免疫和作物廣譜抗病機(jī)制的重大突破，是作物抗病的奠基性工作，為破解作物高抗與產(chǎn)量矛盾提出了新的理論與有效的分子技術(shù)，便于培育高產(chǎn)高抗新品種。該成果已被隆平高科、豐樂(lè)種業(yè)、荃銀高科、中國(guó)水稻所等?40?多家育種單位應(yīng)用于抗病分子育種。利用?Pigm?的特異分子標(biāo)記快速選育改良一大批廣譜持久抗病水稻新材料，其中中國(guó)水稻所育成的高抗早秈稻品種已經(jīng)推廣超過(guò)?1?000?萬(wàn)畝，隆平高科已經(jīng)有?4?個(gè)廣譜抗病新品種通過(guò)國(guó)家審定，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

氮高效利用分子模塊與綠色超級(jí)稻的培育

氮元素是有機(jī)體的必需營(yíng)養(yǎng)成分，是決定作物生物量和產(chǎn)量的核心因素之一。長(zhǎng)期以來(lái)，以追求產(chǎn)量為主要目標(biāo)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式導(dǎo)致化肥的過(guò)量施用，統(tǒng)計(jì)表明，全世界每年施用氮肥超過(guò)?1.2?億噸。我國(guó)化肥年用量?6?000?多萬(wàn)噸，占世界化肥消費(fèi)總量的?33%，是世界平均水平的?3?倍，而肥料利用率僅約?30%。氮肥的使用為作物增產(chǎn)起到了巨大的推動(dòng)作用，但氮肥大量施用不僅增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，更為重要的是導(dǎo)致包括氣候變化、土壤酸化及水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境災(zāi)難。正因?yàn)槿绱?，氮污染被認(rèn)為是?21?世紀(jì)人類(lèi)面臨的最大環(huán)境挑戰(zhàn)，據(jù)估計(jì)僅歐盟每年用于治理氮污染的費(fèi)用就在?700—3?200?億歐元之間。而另一方面，不斷增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食產(chǎn)量提出了更大需求。因此，如何在減少氮肥施用的同時(shí)提高農(nóng)作物產(chǎn)量始終是困擾科學(xué)工作者的一個(gè)難題，而培育高氮肥利用效率的作物新品種是解決這一系列問(wèn)題的關(guān)鍵。

研究揭示了NRT1.1A，NRT1.1B?和?ARE1?等氮高效利用分子模塊。NRT1.1B編碼一個(gè)硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其在秈粳稻間只有一個(gè)氨基酸差別，且秈稻與粳稻呈現(xiàn)出顯著分化。秈稻型NRT1.1B具有更高的硝酸鹽吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)活性。在含有秈稻型NRT1.1B的近等基因系材料中，硝酸鹽同化過(guò)程關(guān)鍵基因也被顯著上調(diào)，而在nrt1.1b突變體材料中相關(guān)基因被顯著抑制，表明秈稻中的NRT1.1B影響了硝酸鹽的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化等環(huán)節(jié)，從而導(dǎo)致秈稻具有更高的氮肥利用能力。因此，NRT1.1B?一個(gè)堿基的自然變異是導(dǎo)致粳稻與秈稻間氮肥利用效率差異的重要原因。將秈稻型NRT1.1B導(dǎo)入粳稻品種，在北京、上海、長(zhǎng)沙?3?個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行的田間實(shí)驗(yàn)表明，含有秈稻型NRT1.1B的粳稻品種在一半施氮條件下，與對(duì)照相比增產(chǎn)?30%—33%，氮肥利用效率提高?30%；在正常施氮條件下，增產(chǎn)?8%—10%，氮肥利用效率提高約?10%。這一結(jié)果表明，NRT1.1B在粳稻氮利用效率改良上具有巨大應(yīng)用價(jià)值。為此，Nature Plants為該項(xiàng)成果寫(xiě)的專(zhuān)評(píng)文章認(rèn)為：“該項(xiàng)研究不僅揭示了水稻亞種間氮利用效率差異的分子機(jī)制，更為重要的是，它為綠色超級(jí)稻的培育提供了一個(gè)重要的基因資源”。

我們與嘉興市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院合作，通過(guò)分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)，利用?NRT1.1B?已培育多個(gè)具有較好應(yīng)用前景的綠色水稻品系，在浙江連續(xù)?2?年進(jìn)行的?50—100?畝連片種植測(cè)產(chǎn)的畝產(chǎn)可達(dá)?860—900?公斤。2017?年，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)組織的“全國(guó)綠色超級(jí)稻第三方評(píng)價(jià)”結(jié)果表明，所送?4?個(gè)品系分別在中氮水平即每公頃施肥?100?公斤（湖北每公頃平均施肥?180?公斤，減氮?80?公斤）下，產(chǎn)量最高可達(dá)?678?公斤（2015?年全國(guó)水稻平均畝產(chǎn)?453?公斤），在全國(guó)選送的?25?個(gè)材料中，分獲第?1?名、第?2?名、第?5?名和第?9?名。表明分子模塊設(shè)計(jì)育種技術(shù)體系在綠色超級(jí)稻培育中具有廣闊的應(yīng)用前景。

水稻產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)制

雜種優(yōu)勢(shì)是指雜交子一代在適應(yīng)性、產(chǎn)量、抗性等方面均優(yōu)于雙親的生物學(xué)現(xiàn)象。近?50?年來(lái)，育種家根據(jù)雜種優(yōu)勢(shì)和雄性不育原理，選擇和改良有效的雜交配組，通過(guò)三系法、兩系法等途徑培育出大量高產(chǎn)雜交稻，例如“汕優(yōu)?63”“兩優(yōu)培九”等，大幅提高了我國(guó)水稻產(chǎn)量。雜種優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)生是復(fù)雜的遺傳學(xué)現(xiàn)象，其背后的機(jī)理一直以來(lái)不完全清楚。

通過(guò)收集?1?495?份雜交稻品種材料，并對(duì)?17?套代表性遺傳群體進(jìn)行了基因組分析和田間產(chǎn)量性狀考察，綜合利用數(shù)量遺傳學(xué)、基因組學(xué)及計(jì)算生物學(xué)領(lǐng)域的一系列新技術(shù)，全面、系統(tǒng)地鑒定出了控制水稻雜種優(yōu)勢(shì)的主要基因位點(diǎn)，剖析了雜交稻雜種優(yōu)勢(shì)的分子遺傳機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)這些遺傳位點(diǎn)在雜合狀態(tài)時(shí)大多表現(xiàn)出不完全顯性，通過(guò)雜交育種產(chǎn)生了全新的基因型組合，從而在雜交一代高效地實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻花期、株型、產(chǎn)量各要素的理想搭配，形成雜種優(yōu)勢(shì)。如傳統(tǒng)三系雜交稻組合中，父本（恢復(fù)系）聚集了較多的優(yōu)良等位基因，綜合性狀配置優(yōu)良；在此基礎(chǔ)上，來(lái)自母本（不育系/保持系）的少數(shù)等位基因則進(jìn)一步改善了水稻植株的結(jié)實(shí)率、花期和穗粒數(shù)（如?hd3a?基因）及株型（如?IPA、tac1基因等），實(shí)現(xiàn)了雜交組合子一代的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)推動(dòng)雜交稻和常規(guī)稻的精準(zhǔn)分子設(shè)計(jì)育種實(shí)踐有重大意義。