3月6日，國際著名綜合性期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America（美國國家科學(xué)院院刊）在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)萬建民院士團(tuán)隊(duì)在水稻抗褐飛虱機(jī)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”。

水稻生產(chǎn)常年遭受各類病蟲害危害，嚴(yán)重威脅水稻安全生產(chǎn)。其中稻飛虱包括褐飛虱、白背飛虱和灰飛虱是水稻生產(chǎn)的首要害蟲，稻瘟病和白葉枯病是水稻兩大主要病害。當(dāng)前水稻病蟲害的防治主要依賴化學(xué)農(nóng)藥。長期過量使用農(nóng)藥，不僅增加生產(chǎn)成本、污染環(huán)境，還破壞生態(tài)平衡、產(chǎn)生稻米農(nóng)藥殘留。利用抗性品種被認(rèn)為是最為經(jīng)濟(jì)有效的防治措施。然而，目前已發(fā)掘的水稻廣譜抗病蟲基因相對較少。此外，抗病蟲性與產(chǎn)量之間往往存在著權(quán)衡，導(dǎo)致二者難以兼顧。因此，水稻廣譜抗病蟲性與產(chǎn)量協(xié)同改良面臨巨大挑戰(zhàn)。

本研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子OsWRKY36顯著降低了水稻對褐飛虱、白背飛虱、灰飛虱、稻瘟病和白葉枯等主要病蟲害的抗性；而敲除該基因?qū)ι鲜霾∠x害的抗性均顯著增強(qiáng)。上述結(jié)果表明，OsWRKY36負(fù)調(diào)控水稻的抗病蟲性，敲除該基因可實(shí)現(xiàn)水稻對主要病蟲害的廣譜抗性。轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，苯丙氨酸解氨酶基因（OsPAL1和OsPAL6）等苯丙烷代謝途徑木質(zhì)素合成相關(guān)基因的表達(dá)在OsWRKY36敲除家系中顯著升高，而在過表達(dá)家系中顯著受到抑制。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，OsWRKY36結(jié)合OsPAL6和OsPAL1啟動(dòng)上的W-box元件抑制它們的表達(dá)。此外，過表達(dá)OsPAL6和OsPAL1可顯著增強(qiáng)水稻的抗病蟲性。組織染色發(fā)現(xiàn)，OsWRKY36過表達(dá)植株葉鞘中木質(zhì)素的積累及厚壁組織的層數(shù)顯著減少，但在敲除家系顯著增加。結(jié)果表明，OsWRKY36下調(diào)OsPAL的表達(dá)抑制木質(zhì)素的合成及厚壁組織的厚度降低水稻抗病蟲。此外，產(chǎn)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，OsWRKY36過表達(dá)家系的株高、分蘗數(shù)、穗長、粒長、粒寬、千粒重、結(jié)實(shí)率、單株產(chǎn)量等產(chǎn)量性狀與背景親本相比均顯著降低。但敲除家系的穗粒數(shù)、分蘗數(shù)均顯著高于背景親本寧粳1號。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，OsWRKY36通過結(jié)合理想株型基因IPA1和分蘗基因MOC2啟動(dòng)子中的W-box元件抑制它們的表達(dá)，調(diào)控水稻的穗粒數(shù)和分蘗數(shù)。從而揭示敲除OsWRKY36協(xié)同調(diào)控水稻廣譜抗病蟲性和產(chǎn)量的分子機(jī)制，為水稻高產(chǎn)和抗性協(xié)同改良提供了重要的基因資源。

木質(zhì)素是植物細(xì)胞壁的主要成分之一，能夠增強(qiáng)植物細(xì)胞壁的強(qiáng)度和硬度，為作物提供機(jī)械支撐。木質(zhì)素還在植物維管束組織的發(fā)育和功能中發(fā)揮著重要作用，參與了導(dǎo)管和篩管等維管束結(jié)構(gòu)的形成，影響水分和養(yǎng)分在作物體內(nèi)的運(yùn)輸。此外，木質(zhì)素作為一種物理屏障可阻止病原菌和害蟲的侵入。精細(xì)調(diào)控木質(zhì)素合成可能是實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量和抗性協(xié)同改良的有效途徑。苯丙氨酸解氨酶（PAL）是木質(zhì)素生物合成過程的關(guān)鍵酶和限速酶。萬院士團(tuán)隊(duì)此前的研究發(fā)現(xiàn)，R2R3 MYB轉(zhuǎn)錄因子OsMYB30通過結(jié)合OsPAL6和OsPAL8啟動(dòng)子中的AC-like元件，上調(diào)OsPAL6和OsPAL8的表達(dá)，促進(jìn)木質(zhì)素和水楊酸合成，激活水稻褐飛虱抗性（PNAS，2020）。本研究在此基礎(chǔ)上，又揭示了一條OsWRKY36負(fù)調(diào)控PAL途徑的新途徑，進(jìn)一步豐富了PAL途徑抗病蟲的表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為通過精細(xì)調(diào)控木質(zhì)素合成實(shí)現(xiàn)作物產(chǎn)量抗性協(xié)同改良提供了新思路。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)博士后柳道明、何俊副教授和李琦博士為共同第一作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)萬建民院士和劉裕強(qiáng)教授、加州大學(xué)戴維斯分校Pamela Ronald教授為該研究論文的通訊作者。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院張正光教授、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所王如意副研究員和房良博士等參與了該工作。本研究是萬建民院士團(tuán)隊(duì)繼在Nature Biotechnology、Nature Communications、Cell Research、PNAS、PLOS Pathogens等刊物上發(fā)表多篇研究論文后，在水稻抗病蟲研究領(lǐng)域取得的又一重要進(jìn)展。該研究得到國家自然科學(xué)基金、農(nóng)業(yè)生物育種國家科技重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。

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