水稻“癌症”该如何攻克？
水稻 (Oryza Sativa) 是世界主粮作物之一，世界上近一半的人口以稻米为主食。水稻在整个生长周期中容易遭受多种病害，造成产量损失，已成为水稻生产过程中主要的制约因素。其中有水稻“癌症”之称的稻瘟病每年都给我国水稻安全带来巨大威胁，引起水稻大幅度减产甚至绝收，是水稻生产上的最重要病害，也是全球粮食安全的重大隐患【1】。因此，提高水稻对稻瘟菌的抗性，尤其是持久广谱抗性，一直以来都是水稻抗病育种工作的热点问题，也是难点问题。
稻瘟病（图片来源于网络）
目前，防治稻瘟病主要有两种手段，一是施用化学农药，二是种植抗病品种。过量施用农药不仅会增加种植成本，还会影响食品安全、破坏生态环境。长期的生产实践证明，选育和合理利用抗病品种是防控稻瘟病最为经济、有效和环保的策略，而抗病基因的挖掘与利用是抗病育种的关键性因素。长期以来，我国科学家在水稻抗稻瘟病资源的收集与鉴定、抗病机理解析和育种应用等方面，取得了一系列重要成果。
8月1日，由南方科技大学和腾讯公司共同主办的首届“青年科学家50²论坛”上，“科学探索奖”获得者，四川农业大学陈学伟教授做了题为“铸好水稻抗病芯片，保障人民生活健康”的学术报告，介绍了他带领的研究团队在水稻抗病理论与应用方面的研究工作。
图片来自“青年科学家50²论坛”
广谱抗病机理解析
在这里我们也借机梳理一下陈学伟等团队在稻瘟病广谱高抗性研究中的一些重要工作。这其中，非常值得一提是，陈学伟团队于2017年在Cell上发表的题为“A Natural Allele of a Transcription Factor in Rice Confers Broad-Spectrum Blast Resistance”的工作【2】。该研究通过大数据分析与遗传、生化、病理等实验方法和技术手段相结合，挖掘了对稻瘟病的新型广谱高抗的水稻遗传资源，发现了编码C2H2类转录因子的基因Bsr-d1的启动子自然变异后对稻瘟病具有广谱持久的抗病性，阐明了新型广谱持久抗病的分子机理。该研究为水稻稻瘟病广谱抗病育种提供了重大理论和应用基础，也为小麦、玉米等粮食作物相关新型抗病机理的研究和应用提供了重要借鉴。该成果获评为2017年度“中国生命科学领域十大进展”、“中国农业科学领域重大科研进展”，以及最具影响力“细胞出版社2017中国年度论文”。
Bsr-d1工作模型示意图
之后，该团队于2018年又在美国科学院院刊PNAS上发表论文“Loss-of-function of a rice TPR-domain RNA-binding protein confers broad-spectrum disease resistance”，报道了一个对水稻稻瘟病和白叶枯病均具有广谱抗性的隐性基因，bsr-k1。bsr-k1激活的免疫反应相对比较温和，对水稻的主要农艺性状没有明显影响，但又足够抵抗病原物的侵害【3】。这一机制的发现对抗病理论研究和育种应用具有重要的参考价值。
bsr-k1工作模型示意图
引起稻瘟病的稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）是研究病原真菌与寄主分子互作的模式物种。解析稻瘟病菌的致病机理可为稻瘟病防治靶点的鉴定、新型农药设计提供理论指导，同时也对其它病原真菌的理论和应用基础研究具有借鉴意义。2020年，陈学伟团队在Nature Microbiology 发表了一项题为“Discovery of broad-spectrum fungicides that block septin-dependent infection processes of pathogenic fungi” 的研究工作【4】。该研究发现了稻瘟病菌超长链脂肪酸通过影响附着胞发育阶段Septin环的组装以调控侵染钉形成，实现对致病性的调控作用，进一步发现靶向超长链脂肪酸合成的化学试剂能抑制septin环组装，可有效抑制稻瘟病菌等病原真菌对水稻等农作物的危害。该研究揭示了septin介导的真菌侵染结构形成的新机制，并为防治植物和动物的各种真菌病害提供了新思路和新方案。
VLCFAs 作用模式图
此外，目前已经鉴定和克隆的稻瘟病抗病基因绝大多数编码 NLR 类型受体蛋白，已有的研究表明，NLR蛋白Pi2、Pi9、Piz-t、Pigm、Pikh和Pita等具有持续的广谱抗病性，具有较好的育种应用价值，解析这些NLR蛋白介导的水稻广谱抗稻瘟病机制对有效地利用抗性基因具有重要意义。我国科学家在解析这些NLR蛋白介导的水稻广谱抗病性方面也做出了重要贡献，例如中国农业科学院植物保护研究所作物有害生物功能基因组研究创新团队于2020年在Molecular Plant上发表的题为“Two VOZ Transcription Factors Link An E3 Ligase and An NLR Immune Receptor to Modulate Immunity in Rice”的研究工作，报道了水稻E3泛素连接酶APIP10泛素化修饰转录因子OsVOZ1和OsVOZ2，及两个转录因子协同负调控稻瘟菌的基础抗性而正调控NLR蛋白Piz-t介导的ETI反应。该研究揭示了VOZ转录因子作为桥梁连通泛素连接酶对抗病蛋白调控的分子机制，为创制新的病害防控策略和抗病分子育种奠定了理论基础。
抗病和产量的精准平衡调控
水稻抗病性和产量是水稻育种的两个关键目标。然而，抗病性与产量之间通常会存在一定拮抗作用。抗病性的提高，常常以牺牲产量为代价，这已成为抗病种质创新的一个瓶颈问题。因此，能够协调产量和抗病性的基因在水稻育种中具有重要的应用价值。
近年来的多项研究表明，植物利用转录因子、miRNA等调控生长和抗病相关基因的表达，实现产量与抗病的平衡。2018年，陈学伟团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队以及加州大学戴维斯分校Pamela Ronald团队在Science发表了题为“A single transcription factor promotes both yield and immunity in rice”的一项研究工作【5】。该研究发现了水稻理想株型建成的关键转录因子IPA1在水稻稻瘟病抗病过程中的作用，并揭示了IPA1既能提高产量又能提高水稻对稻瘟病的抗性的调控新机制。IPA1在正常条件下促进生长发育，而在稻瘟病菌侵染时受诱导磷酸化提高免疫反应，这一机制既能增加水稻产量又能提高稻瘟病抗性，打破了单个基因不可能同时实现增产和抗病的传统观点，为高产高抗育种提供了重要理论基础和实际应用新途径。著名植物病理学家、美国杜克大学董欣年院士在Science作了亮点评述，认为该研究为水稻高产高抗育种提供了强大的理论依据和实践方法。该成果获2018年度中国农业科学十大进展。
IPA1促进高产和提高抗病性的模式
此外，miRNA在协调植物生长、发育和免疫反应方面也发挥重要作用。今年年初，四川农业大学王文明团队在Nature Plants发文，报道了miR168-AOG1分子模块调控水稻产量、生育期和稻瘟病抗性的分子机制【6】。他们发现，过表达miR168可明显抑制AGO1 基因的表达，导致对稻瘟菌更加敏感，生育期延迟，产量相关性状变差；相反，表达 miR168 的模拟靶标（MIM168），不仅可以改良抗性，还导致分蘖增多、全生育期变短和产量提高。进一步发现，miR168-AGO1模块的变化会导致多个miRNA-靶基因模块的变化，而这些miRNA-靶基因模块分别调控水稻免疫和生长发育，其中miR535-SPL14模块调控水稻的产量和免疫，miR164-NAC11模块调控水稻的生育期和免疫，miR1320调控水稻的免疫。因此，通过操纵单个miRNA，可以改良水稻多个重要的农艺性状。
miR168-AGO1模块调控水稻免疫和生长发育
终极目标：抗病、高产、优质协同调控
除了抗病性和产量，品质也是水稻育种家的一个重要目标。探索水稻抗病、高产、优质协同调控理论及其在育种中的应用，对实现病害的绿色有效防控，保障水稻产量与品质至关重要。在论坛中陈学伟提到，通过种质创新、理论创新和应用创新，可实现水稻等作物抗病、高产、优质的完美平衡。但在现阶段的农业生产中，作物“高产不抗病、抗病不高产、抗病不优质”的现象仍普遍存在，这种抗性、高产、优质三者之间的相互拮抗，是培育突破性作物新品种的瓶颈。为了打破瓶颈，需要探索作物抗病与高产、抗病与优质、高产与优质两两间、以及抗病、高产、优质三者间的协同调控的关键因子及其作用机理，对这些因子和机理加以育种利用，培育集抗病、高产与优质于一体的突破性作物新品种，将有助于推动绿色生态、安全高效的水稻产业发展。
8月1日，首届“青年科学家50²论坛”在南方科技大学盛大开幕。“50²”发音为“五十平方”，寓意是“科学探索奖”每年评选出50位青年科学家，将对未来50年的科学技术突破产生重大影响。“青年科学家50²论坛”将从2021年起每年举办一次，旨在营造探索未知的学术氛围，扶持科技人才成长，成为兼具专业性和权威性的青年科学家学术盛会。论坛以“启迪、探索、突破”为主题，将汇聚青年科学家力量，以跨学科交流启迪科研创新，积极探索科学“无人区”，期待实现更多“从0到1”的科学突破。