Molecular Plant:利用基因编辑技术广谱抗白叶枯病

2019年9月11日 10:25:50 来源: 上海交通大学
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  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)。

  近日,上海交通大学农业与生物学院陈功友教授课题组在著名学术期刊Molecular Plant在线发表题为“Engineering broad-spectrum bacterial blight resistance by simultaneously disrupting variable TALE-binding elements of multiple susceptibility genes in rice”的30码期期中论文。该30码期期中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。

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  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)。该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。

2.png 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。上海交通大学陈功友教授领衔的30码期期中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30码期期中,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,作用于不同单倍型的SWEET13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30码期期中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30码期期中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。