【Nat Communi】突破！华中农大赖志兵/严建兵组合作为解决玉米南方锈病找到药方
南方锈病是当下黄淮海玉米产区重要病害之一，华中农业大学玉米团队鉴定到一个广谱抗病基因RppK及其效应因子AvrRppK，并解析了其抗病机制。该基因具有重要的育种应用价值，改良的抗病品种已于2019年开始推广应用，目前还在为国内多家种业公司的10多个玉米骨干自交系进行抗病改良工作。
玉米南方锈病（Southern corn rust，SCR）是由活体营养型真菌Puccinia polysora引起的世界性重要玉米病害。该病害可引起玉米减产20%-30%，严重时减产50%以上。最近几年，玉米南方锈病在黄淮海夏玉米区和南方玉米种植区呈现大面积流行趋势，全国年发病面积在500万公顷以上，严重危害我国玉米的产量和品质（图1）。控制该病害最经济有效的方法是挖掘和利用抗病基因进行抗病品种选育。
图1 2021年黄淮海玉米主产区玉米南方锈病发病情况
2022年07月29日，华中农业大学玉米团队在《自然通讯》发表题为“Cloning southern corn rust resistant gene RppK and its cognate gene AvrRppK from Puccinia polysora”的研究论文。该研究成功克隆了广谱持久抗玉米南方锈病基因RppK，感病条件下，该基因能显著提高玉米对南方锈病的抗性，并增加产量11.9%-17.1%；而正常条件下，对产量没有影响。通过克隆RppK对应的南方锈病菌效应分子AvrRppK，发现该效应蛋白在南方锈病菌的所有分离菌株中都存在且100%保守，进一步揭示了RppK基因广谱抗玉米南方锈病的分子机制。
玉米广谱抗南方锈病基因RppK的克隆
玉米研究团队于2011年在500多份自然变异群体中筛选到广谱持久的抗南方锈病自交系材料K22。后续利用遗传连锁群体，在玉米第10号染色体短臂上鉴定到抗南方锈病主效位点，并采用图位克隆方法成功分离到一个NLR家族的抗病基因RppK。遗传互补实验表明，RppK基因不仅能够赋予玉米对南方锈病菌多个生理小种的广谱高抗表型。进一步分析发现，该基因是通过基因组不对称交换产生的一个新基因，对500多份具有代表性的自交系分析发现，仅有不到3%的材料的基因组含有该基因，而绝大部分玉米育种材料基因组不存在这个基因。把该基因导入到不同的玉米遗传背景材料中均能显著提高对南方锈病的抗性，有重要的育种应用价值。
RppK基因具有巨大的育种价值
与北京农林科学院赵久然研究员团队合作，对大面积推广的玉米杂交种“京科968”的亲本进行抗病的分子标记辅助选择，组配出抗南方锈病的改良品种。多年多点的田间小区试验表明：1）在南方锈病发病的试验点，改良品种的抗病性显著高于“京科968”，产量比京科968增加11.9%-17.1%；2）在南方锈病不发生的试验点，改良品种与京科968在产量和重要农艺性状上均没有显著差异（图2）。
研究团队采用分子辅助育种和转基因育种策略，进一步改良了8个正在生产应用的玉米杂交种，田间试验均获得类似的结论，在南方锈病发病条件下，RppK基因能显著增强玉米抗病性同时提高产量；在不发病条件下，该基因的导入对产量和重要农艺性状没有负面影响。由此，证实RppK基因对玉米抗南方锈病的遗传改良具有巨大的应用价值。应国内多家种业公司的要求，目前正对他们的核心材料进行抗病改良工作。
图2. RppK基因显著提高改良品种的抗病性和产量
RppK基因通过识别核心效应蛋白AvrRppK赋予玉米对南方锈病的广谱抗病性
为了进一步探究RppK广谱抗南方锈病的分子机制，该研究团队结合大规模原生质体筛选、烟草瞬时表达和AvrRppK蛋白注射实验从南方锈病病原菌P. polysora中克隆到RppK识别的效应因子AvrRppK。测序分析发现，AvrRppK基因在所有的分离菌株（来源于海南、广西、湖北等玉米种植区）中都存在，且其DNA序列100%保守。此外，在玉米中表达AvrRppK基因能够有效抑制几丁质激活的PTI反应并提高玉米对南方锈病的感病性。由此证实，AvrRppK蛋白是P. polysora的核心效应因子。鉴于RppK基因广谱持久的发挥南方锈病抗性和AvrRppK基因的核心效应蛋白特性，本研究证实了利用识别核心效应子的单个NLR基因足以赋予作物对特定病原菌的广谱抗病性。
华中农业大学作物遗传改良全国重点实验室和湖北洪山实验室的赖志兵教授和严建兵教授为该论文的共同通讯作者。博士后陈庚申、张报，已毕业博士生王宏泽，河南农业大学丁俊强教授为该论文的共同第一作者。该研究得到国家重点研发计划项目和国家自然科学基金的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32026-4