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（美國國家科學院院刊）在線發(fā)表了南京農(nóng)業(yè)大學萬建民院士團隊在水稻抗褐飛虱機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。當前水稻病蟲害的防治主要依賴化學農(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。利用抗性品種被認為是最為經(jīng)濟有效的防治措施。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。上述結(jié)果表明，OsWRKY36負調(diào)控水稻的抗病蟲性，敲除該基因可實現(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)基因的表達在OsWRKY36敲除家系中顯著升高，而在過表達家系中顯著受到抑制。進一步研究發(fā)現(xiàn)，OsWRKY36結(jié)合OsPAL6和OsPAL1啟動上的W-box元件抑制它們的表達。此外，過表達OsPAL6和OsPAL1可顯著增強水稻的抗病蟲性。組織染色發(fā)現(xiàn)，OsWRKY36過表達植株葉鞘中木質(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)量實驗的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，OsWRKY36過表達家系的株高、分蘗數(shù)、穗長、粒長、粒寬、千粒重、結(jié)實率、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啟動子中的W-box元件抑制它們的表達，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)素是植物細胞壁的主要成分之一，能夠增強植物細胞壁的強度和硬度，為作物提供機械支撐。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。精細調(diào)控木質(zhì)素合成可能是實現(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。萬院士團隊此前的研究發(fā)現(xiàn)，R2R3 MYB轉(zhuǎn)錄因子OsMYB30通過結(jié)合OsPAL6和OsPAL8啟動子中的AC-like元件，上調(diào)OsPAL6和OsPAL8的表達，促進木質(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負調(diào)控PAL途徑的新途徑，進一步豐富了PAL途徑抗病蟲的表達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，為通過精細調(diào)控木質(zhì)素合成實現(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)大學萬建民院士和劉裕強教授、加州大學戴維斯分校Pamela Ronald教授為該研究論文的通訊作者。南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院張正光教授、中國農(nóng)業(yè)科學院植物保護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隊繼在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展。該研究得到國家自然科學基金、農(nóng)業(yè)生物育種國家科技重大專項等項目的資助。

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