发布人:     发布日期: 2025-03-06    浏览次数:

3月6日，国际著名综合性期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（美国国家科学院院刊）在线发表了南京农业大学万建民院士团队在水稻抗褐飞虱机制解析方面的最新研究成果“A WRKY transcription factor confers broad-spectrum resistance to biotic stresses and yield stability in rice”。

水稻生产常年遭受各类病虫害危害，严重威胁水稻安全生产。其中稻飞虱包括褐飞虱、白背飞虱和灰飞虱是水稻生产的首要害虫。而稻瘟病和白叶枯病是水稻两大主要病害。当前水稻病虫害的防治主要依赖化学农药。长期过量使用农药，不仅增加生产成本、污染环境，还破坏生态平衡、产生稻米农药残留。利用抗性品种被认为是最为经济有效的防治措施。然而，目前已发掘的水稻广谱抗病虫基因相对较少。此外，抗病虫性与产量之间往往存在着权衡，导致二者难以兼顾。因此，水稻广谱抗病虫性与产量协同改良面临巨大挑战。

本研究发现，过表达转录因子OsWRKY36显著降低了水稻对褐飞虱、白背飞虱、灰飞虱、稻瘟病和白叶枯等主要病虫害的抗性；而敲除该基因对上述病虫害的抗性均显著增强。上述结果表明，OsWRKY36负调控水稻的抗病虫性，敲除该基因可实现水稻对主要病虫害的广谱抗性。转录组分析发现，苯丙氨酸解氨酶基因（OsPAL1和OsPAL6）等苯丙烷代谢途径木质素合成相关基因的表达在OsWRKY36敲除家系中显著升高，而在过表达家系中显著受到抑制。进一步研究发现，OsWRKY36结合OsPAL6和OsPAL1启动上的W-box元件抑制它们的表达。此外，过表达OsPAL6和OsPAL1可显著增强水稻的抗病虫性。组织染色发现，OsWRKY36过表达植株叶鞘中木质素的积累及厚壁组织的层数显著减少，但在敲除家系显著增加。结果表明，OsWRKY36下调OsPAL的表达抑制木质素的合成及厚壁组织的厚度降低水稻抗病虫。此外，产量实验的结果发现， OsWRKY36过表达家系的株高、分蘖数、穗长、粒长、粒宽、千粒重、结实率、单株产量等产量性状与背景亲本相比均显著降低。但敲除家系的穗粒数、分蘖数均显著高于背景亲本宁粳1号。进一步研究发现，OsWRKY36通过结合理想株型基因IPA1和分蘖基因MOC2启动子中的W-box元件抑制它们的表达，调控水稻的穗粒数和分蘖数。从而揭示敲除OsWRKY36协同调控水稻广谱抗病虫性和产量的分子机制，为水稻高产和抗性协同改良提供了重要的基因资源。  

木质素是植物细胞壁的主要成分之一，能够增强植物细胞壁的强度和硬度，为作物提供机械支撑。木质素还在植物维管束组织的发育和功能中发挥着重要作用，参与了导管和筛管等维管束结构的形成，影响水分和养分在作物体内的运输。此外，木质素作为一种物理屏障可阻止病原菌和害虫的侵入。精细调控木质素合成可能是实现作物产量和抗性协同改良的有效途径。苯丙氨酸解氨酶（PAL）是木质素生物合成过程的关键酶和限速酶。万院士团队此前的研究发现，R2R3 MYB转录因子OsMYB30通过结合OsPAL6和OsPAL8启动子中的AC-like元件，上调OsPAL6和OsPAL8的表达，促进木质素和水杨酸合成，激活水稻褐飞虱抗性（PNAS，2020）。本研究在此基础上，又揭示了一条OsWRKY36负调控PAL途径的新途径，进一步丰富了PAL途径抗病虫的表达调控网络，为通过精细调控木质素合成实现作物产量抗性协同改良提供了新思路。

南京农业大学博士后柳道明、何俊副教授和李琦博士为共同第一作者。南京农业大学万建民院士和刘裕强教授、加州大学戴维斯分校Pamela Ronald教授为该研究论文的通讯作者。南京农业大学植物保护学院张正光教授、中国农业科学院植物保护研究所王如意副研究员和房良博士等参与了该工作。本研究是万建民院士团队继在Nature Biotechnology、Nature Communications、Cell Research、PNAS、PLOS Pathogens等刊物上发表多篇研究论文后，在水稻抗病虫研究领域取得的又一重要进展。该研究得到国家自然科学基金、农业生物育种国家科技重大专项等项目的资助。

原文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2411164122