《TRENDS IN Biotechnology》：Editing dual-function susceptibility genes for multistress-resilient crops
编辑推荐：
气候变化日益使作物同时暴露于干旱、盐碱和高温等非生物胁迫以及病害之中，然而作物改良往往将这些威胁作为独立目标分别处理。研究人员提出，应将适宜的感病（S）基因视为作物生物技术和育种中的潜在双功能靶标。失活S基因可同时提高抗病性和非生物胁迫耐受性；研究人员将兼具两
气候变化日益使作物同时暴露于干旱、盐碱和高温等非生物胁迫以及病害之中，然而作物改良往往将这些威胁作为独立目标分别处理。研究人员提出，应将适宜的感病（S）基因视为作物生物技术和育种中的潜在双功能靶标。失活S基因可同时提高抗病性和非生物胁迫耐受性；研究人员将兼具两种益处且获实验支持的基因称为双功能S基因。研究人员建议优先关注这些基因及其在多种作物中的直系同源基因，并通过双向筛选评估候选基因——即检测S基因的非生物胁迫益处以及检测非生物胁迫负调控因子的抗病性。随着CRISPR技术和监管框架日趋成熟，此类编辑有望支撑气候韧性作物的开发。
气候变化日益使作物同时面临干旱、盐碱、高温等非生物胁迫与病害的双重威胁，但作物改良通常将抗病性与非生物胁迫耐受性作为彼此独立的育种目标，各自拥有独立的候选基因、筛选体系和开发流程，后期再通过杂交进行组合。然而，田间胁迫极少单独发生，变暖的气候使作物 increasingly 同时暴露于多种胁迫之下。通过独立靶标分别开发这些性状可能需要额外的编辑或诱变、选择或育种步骤，且杂交可能引入不需要的遗传变异而需后续回交去除，这在马铃薯等无性繁殖作物中尤为突出。在此背景下，研究人员提出一个核心观点：生物技术专家、研究者和植物育种者应在作物改良计划早期将适宜的感病（susceptibility，S）基因作为潜在的双功能靶标加以考虑。S基因是宿主基因，其正常活性为病原体感染所必需或主动促进感染，或抑制宿主自身防御； impairing 此类基因可撤回支持感染所需的宿主因子，产生通常为隐性、可能具有广谱性和持久性的抗性。研究人员将"双功能S基因"定义为经实验证明其活性降低可在测试条件下同时改善抗病性和至少一种非生物胁迫耐受性的S基因。通过对近期文献的系统梳理，研究人员在七种作物和模式植物拟南芥中鉴定出超过15个经验证的双功能S基因，这些基因均作为生物和非生物胁迫的负调控因子发挥作用，遗传学证据证实降低其活性可增强对两种胁迫的耐受性。这些基因按分子功能可分为三组：第二信使与氧化还原平衡、激素代谢与蛋白稳态、染色质与转录调控。若干实例表明单次编辑的双效益策略可转化为具有农艺相关性的表型：马铃薯Parakletos敲除品系兼具对卵菌、真菌和细菌病原体的广谱抗性以及盐旱耐受性，并在连续田间试验中实现20%的增产且未检测到生长缺陷；水稻OsMADS26下调提高了稻瘟病和白叶枯病抗性及水分亏缺耐受性，并增加了生物量和产量；马铃薯StDMR6-1敲除品系受干旱和盐害影响减轻，且对晚疫病、早疫病和疮痂病抗性增强；番茄sdg33/sdg34双突变体兼具灰霉病抗性与干旱耐受性且生长改善，无明显权衡。研究人员据此提出一个从实验室到田间的三步生物技术路线图：优先选择经验证的双功能S基因及其直系同源基因；在生物和非生物胁迫下平行筛选未测试的候选基因；优化、叠加并部署经验证的靶标。研究的重要意义在于，双功能S基因编辑可在一个开发周期内同时应对抗病性和非生物胁迫韧性两个作物改良目标，直接在优良品种或已具抗性的品种中进行编辑可避免连锁累赘，为培育能够抵御病害与气候相关胁迫协同发生的作物提供了切实可行的生物技术路径。
研究人员开展本研究所用的主要关键技术方法包括：针对植物S基因中同时报道有生物和非生物胁迫表型者进行定向文献检索，纳入标准要求具备功能遗传学证据（突变体、敲除、沉默或过表达等功能缺失或获得性研究）证明该基因负调控抗病性和至少一种非生物胁迫响应；利用序列相似性、系统发育关系和保守共线性鉴定直系同源基因；采用CRISPR/Cas9多重编辑进行基因功能缺失（如移码突变或全基因缺失），并利用碱基编辑和引导编辑实现部分功能缺失或特定蛋白质结构域修饰；通过发育调控因子辅助再生和组织培养最小化递送系统解决顽固作物的再生瓶颈；通过分离、瞬时表达或无DNA递送获得无转基因植株。研究所涉及的表型数据来源于已发表文献中的受控条件和部分田间试验，未涉及特定样本队列来源。
研究结果方面，第一，双功能S基因的鉴定与分类：通过对近期文献的定向检索，研究人员在七种作物和拟南芥中鉴定出超过15个经验证的双功能S基因，所有基因均负调控生物和非生物胁迫，且降低其活性可增强对两种胁迫的耐受性。这些基因按分子功能归入三个描述性组别（非机制性分组）：第二信使与氧化还原平衡组（如Parakletos、SlHyPRP1、CaMLO2、DMR6及其直系同源基因、OsUGT706E2、UBP12/UBP13、OsFKBP12），激素代谢与蛋白稳态组（如DMR6通过SA分解代谢调控免疫与干旱/盐耐受，UBP12/UBP13通过稳定NPR3和VPS23A分别影响SA介导免疫和ABA受体周转），以及染色质与转录调控组（如SDG33/SDG34、HDA19、OsERF922、StERF3、GhWRKY27a、OsMADS26、CaSBP11、CaSBP12、OCP3、GmARM）。第二，农艺相关性验证：若干实例证明单次编辑的双效益策略可产生农艺相关表型——马铃薯Parakletos敲除品系在连续田间季节中兼具广谱抗病性和盐旱耐受性且增产20%无生长缺陷；水稻OsMADS26下调提高稻瘟病和白叶枯病抗性及水分亏缺耐受性并增加生物量和产量；马铃薯StDMR6-1敲除品系耐旱耐盐且增强对晚疫病、早疫病和疮痂病抗性；番茄sdg33/sdg34双突变体兼具灰霉病抗性和干旱耐受性且生长改善。其中Parakletos、OsMADS26和StDMR6-1已在田间评估了抗病性和产量，OsMADS26还评估了耐旱性，其余表型均在受控条件下评估。第三，从实验室到田间的生物技术路线图：研究人员提出三步框架——优先选择经验证的双功能S基因及其直系同源基因（以DMR6为典范，其在番茄、马铃薯和葡萄中的编辑均结合了抗病性与水分限制响应改善；直系同源基因鉴定应依据序列相似性、系统发育关系和保守共线性，大基因家族中需解析旁系同源基因的功能冗余，多倍体作物可能需要多重编辑）；在生物和非生物胁迫下平行筛选未测试基因（第一类为尚未在非生物胁迫下表型分析的S基因，如水稻ROD1、OsBON1/OsBON3、MNAC3、OsSEC3A，小麦TaPsIPK1、TaMKP1，马铃薯StDND1；第二类为尚未在病害试验中测试的非生物胁迫负调控因子，如水稻OsPHP1、OsPP2C68、OsWRKY12、OsJAZ10，玉米ZmCRK1、ZmLAZ1-3、ZmbZIP68，番茄SlLBD40，马铃薯StbHLH47；建议在同一编辑株系上采用标准化平行筛选，读出指标包括病斑面积、病原体生物量、存活率、植株水分状态、电解质渗漏、光合效率、生长和产量相关性状）；优化、叠加和部署经验证靶标（CRISPR多重编辑可在单次转化中破坏多个S基因或同一基因家族的多个成员，功能缺失靶标适合SDN-1编辑，可通过分离、瞬时表达或无DNA递送获得无转基因植株）。第四，适应性代价与耐久性：S基因操纵引起持久防御激活或干扰正常生理功能时可产生适应性代价，其严重程度取决于基因变异和环境背景——番茄DND1完全破坏导致严重矮化和自体坏死，而携带小框内缺失的基因变异保留了白粉病抗性且矮化和坏死病斑显著减轻；水稻ROD1功能缺失在无病害条件下损害穗发育并减产，但在稻瘟病压力下具有产量优势，而具有较弱免疫抑制活性的天然ROD1变异在 reported 比较中增强抗性且未检测到产量损失。耐久性方面，S基因缺失产生的广谱隐性抗性通常被认为比单一致病基因介导的抗性更持久，但耐久性不能假定——尽管大麦mlo抗性在农业实践中提供了长期保护，实验进化已证明Blumeria hordei在mlo大麦上具有部分毒性。非生物胁迫耐受性方面，由于不存在协同进化的病原体，主要问题是益处能否在不同环境、胁迫强度、胁迫组合、遗传背景和发育阶段中保持稳健。
讨论部分总结了双功能S基因编辑的应用前景与局限性。研究人员明确指出，提高抗病性和非生物胁迫耐受性不必通过独立 pipeline 工程化，也不应假定存在不可避免的权衡；在某些情况下，单个精心选择的编辑即可同时改善两者。但研究人员并不主张双功能S基因编辑应取代R基因、常规育种或农艺管理，而是将其作为综合韧性策略的一个层次，抗性管理仍然适用。该方法在缺乏有效R基因时、对广宿主范围病原体如Alternaria solani以及需要同时改善抗病性和非生物胁迫耐受性时可能特别有价值。可用实例证明了对双功能S基因进一步评估的合理性，但其育种价值取决于胁迫保护与发育、产品品质和收获产量在目标环境中的平衡。建议的前进方向是挖掘已知S基因和已知非生物调控因子的未测试第二功能，按分子功能优先排序候选基因，并将最优者推进田间测试。由于编辑直接改变现有基因组，这些编辑可在优良品种或已具抗性的品种中进行而无需杂交的连锁累赘；多重编辑可在单个开发周期内组合互补靶标，但每种组合均需农艺验证。研究人员还指出，基因组编辑在多种作物中日益可部署，多重编辑和无稳定外源DNA整合的工作流程扩大了其实际适用范围；监管框架正在转变，欧盟已批准新基因组技术（NGTs）的差异化框架，符合条件的小型编辑在法规适用后将被更多地视同常规育种品种，而其他若干司法管辖区已根据最终产品特性监管许多编辑作物。作物生产必须日益承受病原体压力和非生物胁迫，而化学作物保护的选择正在收窄——对持久性化学品的监管审查日益增加，包括全氟和多氟烷基物质（PFASs），一些PFAS农药可形成在环境中持久存在并污染地下水的降解产物，这些担忧已促使丹麦撤销某些农药授权，而进入开发 pipeline 的新杀菌剂作用模式很少，这些压力强化了包括NGT1技术抗病品种在内的其他方法的合理性。双功能S基因编辑可能提高多年产量稳定性，这对农民极具吸引力；改善的抗病性可在田间效力足够时支持减少杀菌剂使用，Parakletos田间试验提供了在未进行晚疫病杀菌剂处理下增产的令人鼓舞的证据，但可实现的投入减少需要在相关作物保护制度下评估病害控制和产量。该方法还可通过单一开发路径同时应对两个作物改良目标，与通过独立 pipeline 追求抗病性和非生物韧性相比，可能提高育种和开发的投资回报。
研究结论部分翻译如下：研究人员的主要观点是，提高的抗病性和非生物胁迫耐受性不必通过独立 pipeline 工程化，也不应假定涉及不可避免的权衡。在某些情况下，单个精心选择的编辑即可同时改善两者。研究人员不主张双功能S基因编辑应取代R基因、常规育种或农艺管理，而是将其作为综合韧性策略的一个层次，抗性管理仍然适用。该方法在缺乏有效R基因时、对广宿主范围病原体如Alternaria solani以及需要同时改善抗病性和非生物胁迫耐受性时可能特别有价值。可用实例证明了对双功能S基因进一步评估的合理性，而其育种价值取决于胁迫保护与发育、产品品质和收获产量在目标环境中的平衡。建议的前进方向是挖掘已知S基因和已知非生物调控因子的未测试第二功能，按分子功能优先排序候选基因，并将最优者推进田间测试。由于编辑直接改变现有基因组，这些编辑可在优良品种或已具抗性的品种中进行而无需杂交的连锁累赘。多重编辑可在单个开发周期内组合互补靶标，但每种组合均需农艺验证。因此，双功能S基因编辑为培育能够更好地抵御病害与气候相关胁迫协同发生的作物提供了一条切实可行的生物技术路径。研究人员据此倡导将双功能S基因编辑发展为提高作物对病害和环境胁迫韧性的补充性生物技术策略。
