Cell Discovery—陆钰明课题组开发可设计的水稻抗病育种技术

针对剧烈变异的病原微生物，如何利用基因编辑实现可设计的抗病育种？近日，协同创新中心陆钰明教授课题组在国际权威期刊Cell Discovery在线发表了题为“Programmable broad-spectrum resistance to bacterial blight using targeted insertion in rice”的研究论文。该研究将第三代测序技术和基因组靶向敲入技术相结合，在水稻上建立了一种可编程的抗病育种方法。

Xoo向水稻细胞注射转录激活效应蛋白TALEs (transcription activator-like effectors)识别易感基因启动子的EBE（effector binding elements）启动基因转录促进其侵染。团队前期把1-4个EBE分别敲入到水稻executor (E) 基因启动子中，发现侵染后植株的E基因被成功激活并对Xoo产生了高度抗性，多个EBE串联则表现出更为广谱的抗性。利用收集自中国和东亚其他地区的41株菌株进行测试，发现这种多EBE串联的策略尚不能对大范围收集的菌株产生广谱抗性。随后团队对已完成全基因组测序的Xoo菌株进行了分析，发现来自相同地域的菌株倾向于编码相似的TALE蛋白，例如非洲的菌株多数编码TalC和TalF。因此，团队提出了能否开发一种快速鉴定某一地域菌株TALE类型并针对保守TALE设计广谱抗性品种的设想。

随后以实验室保存的41株菌株为群体展开进一步研究。TALE基因的RVD序列由11-25组相似度极高的序列串联形成，传统高通量测序获得的短片段Reads难以进行RVD序列的正确组装。团队通过大量测试，率先采用了基于Pacbio平台的HiFi测序技术，通过对长片段Reads的优化组装，在初步获得的基因组草图中成功鉴定到了菌株完整的TALE基因。随后利用该项技术对收集自中国的30株Xoo进行了HiFi测序，成功鉴定到8个新的保守TALE。

基于保守TALE识别的EBE能否被菌株成功激活是设计抗性品种的关键，团队将基于生信分析获得的EBE序列构建在转录激活报告载体中，在水稻原生质体、叶片和愈伤组织中进行了大量测试，发现转化报告系统的愈伤组织在接菌后，报告系统被成功激活。随后对10个保守的EBE进行了群体菌株激活测试，筛选到了对41株菌株均有反应的EBE组合。将该EBE组合敲入的水稻后，植株对所有测试菌株均产生高度抗性，经过连续4代的观测，敲入株系抗性保持良好且农艺性状与对照无显著差异。这种基于病原菌基因组分析设计的抗病育种技术，有望彻底解决病原菌变异导致的免疫逃逸现象。为基因编辑育种解决农业生产重大问题提供了思路。

张学宁博士和宋明磊博士为本文共同第一作者，田益夫博士、上海交通大学陆钰明教授和南方科技大学朱健康院士为通讯作者。

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41421-024-00714-8