多年生水稻PR25的抗稻瘟病机制与皮塔基因及皮克姆基因的协同作用有关

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：The Combination of Pita and Pikm Underpins Rice Blast Resistance in Perennial Rice PR25

　　

摘要

由Magnaporthe oryzae B.C. Couch & L.M. Kohn引起的稻瘟病依然是威胁全球水稻生产的最严重病害之一。多年生水稻作为一种新的种植模式，能够减少劳动力与资源投入。然而，连续再生以及免耕做法可能会增加病害压力，从而影响抗性的稳定性。值得注意的是，一些多年生水稻品种在多年田间种植中仍保持对稻瘟病的抗性。本研究通过结合田间表型分析、本地病原菌无毒力基因分析、全基因组抗性基因筛选以及CRISPR/Cas9功能验证等方法，研究了多年生水稻品种PR25的稻瘟病抗性分子机制。在自然感染和人工接种条件下，PR25都对M. oryzae具有抗性。基因组分析和标记辅助分析表明，PR25携带多个主要的稻瘟病抗性基因，包括Pita和Pikm。通过对这些基因的敲除实验发现，尤其是Pita和Pikm共同缺失时，PR25对M. oryzae 363株系的抗性会显著下降甚至完全丧失。本研究的遗传学证据表明，Pita和Pikm是PR25具备稻瘟病抗性的关键基因，二者共同作用可能是其田间抗性表现的重要遗传基础。这项研究为了解多年生水稻的病害抗性机制提供了理论依据，同时也为培育适合多年生水稻种植系统的抗稻瘟病品种提供了重要的遗传学依据。

引言

稻瘟病是由半寄生真菌Magnaporthe oryzae B.C. Couch & L.M. Kohn（Ou, 1980）引发的疾病，被视为全球范围内危害最严重的水稻病害之一。稻瘟病可在水稻生长的各个阶段爆发，往往会导致10%到35%的产量损失，对粮食安全构成持续威胁。在中国，由于气候变化、密集种植方式以及病原菌的快速适应性进化，自20世纪80年代以来稻瘟病的发生频率持续上升（Dean et al., 2012）。因此，有效控制稻瘟病仍是水稻生产系统面临的核心挑战（Fisher et al., 2012）。

植物依靠多层次的免疫系统来抵御病原体入侵，其中包括模式触发免疫（PTI）和效应子触发免疫（ETI）（Jones et al., 2006）。在水稻中，ETI主要由编码核苷酸结合亮氨酸重复蛋白（NLR）的抗性（R）基因介导，这类蛋白能够识别M. oryzae分泌的特定无毒力效应子。迄今为止，已有70多个稻瘟病抗性基因被克隆并得到功能验证，其中Pi9、Pigm、Piz-t、Pita和Pikm已被证实具有广谱抗性或针对特定菌系的抗性（Das et al., 2012; Zhu et al., 2012; Wu et al., 2015; Younas et al., 2024）。不过，在实际田间环境中，单个R基因带来的抗性往往较为短暂，因为M. oryzae种群可以通过突变、删除或相应Avr基因的转录沉默等方式迅速获得毒力（Maruta et al., 2023）。因此，将具有互补识别功能的多个R基因组合起来，已成为提升水稻稻瘟病抗性的核心策略（Wang et al., 2009; Chen et al., 2011; Latif et al., 2025）。

多年生水稻是通过Oryza sativa与野生多年生物种Oryza longistaminata的种间杂交培育而成的，代表了水稻种植领域的重大变革。由于一次种植可以多次收获，多年生水稻大幅降低了劳动力、耕作及各种投入成本（Zhang et al., 2023）。然而，这种种植模式也面临着独特的病害压力，因为残留的秸秆以及免耕做法有利于M. oryzae的越冬和季节间传播。从作物保护的角度来看，具备良好的稻瘟病抗性是推动多年生水稻大规模推广和可持续应用的关键前提（Chapman et al., 2022; Fulcher et al., 2022; Stokstad et al., 2022）。

值得关注的是，多年的田间监测表明，包括PR25在内的多个多年生水稻品种，在不同的生长季节和环境条件下依然保持稻瘟病抗性（Zhang et al., 2023）。这一点在中国多年生水稻主产区云南省尤为突出，因为该地区的M. oryzae生理小种具有极高的遗传多样性和毒力多样性。但目前对于多年生水稻稻瘟病抗性的遗传组成和功能机制仍了解不足。阐明支撑稻瘟病抗性的R基因结构，不仅有助于深入理解多年生水稻种植系统中的宿主-病原体相互作用，也能为在持续病害压力下培育抗病水稻提供指导。

在本研究中，我们通过表型鉴定、病原菌无毒力分析、全基因组R基因挖掘以及CRISPR/Cas9基因敲除等技术，系统分析了多年生水稻PR25的稻瘟病抗性机制。我们证实Pita和Pikm是PR25具备稻瘟病抗性的两个主要功能R基因，并为解释其田间抗性表现提供了遗传学依据。这项研究为多年生水稻的抗病育种工作提供了理论支持。

章节节选

植物材料与真菌菌株

多年生水稻品种PR25以及易感对照品种Nipponbare由云南省多年生水稻技术创新中心提供（Zhang et al., 2023）。本研究所使用的7个M. oryzae菌株（CH1598、CH1139、CH9105a、CH1638、CH1633、CH091C和363）来自云南省农业科学院（Li et al., 2001）。用于实验室接种试验的水稻植株是在云南农业大学呈贡校区的植物生长室中培养的

PR25在田间和可控条件下的稻瘟病抗性

为了评估多年生水稻PR25对稻瘟病的抗性表现，我们在自然田间感染和人工接种两种条件下观察了其病害症状。在田间条件下，易感的粳稻品种Nipponbare出现了典型的纺锤形病斑，这是严重叶部稻瘟病的特征；而PR25则仅出现较小的褐色斑点或类似超敏反应的病斑，表明它具有有效的抗性。通过定量分析

R-基因组合是多年生水稻稻瘟病抗性的基础

与之前关于单个R基因易感性的研究结果一致，在云南病原菌多样性高的环境下，仅携带Pita基因的品种往往很快就会失去抗性。我们的CRISPR敲除实验表明，敲除Pita基因会显著降低对363株系的抗性，而同时敲除Pita和Pikm基因则会使抗性完全消失，这证明了这两个基因具有互补功能。

Pikm基因位点本身是一个已被充分研究的NLR基因簇，它依赖于

结论

R基因组合策略具有明显优势，将遗传抗性与轮作、区域布局等配套的病害管理措施相结合至关重要。总之，本研究表明Pita和Pikm是PR25具备稻瘟病抗性的两个关键功能基因，二者的共同作用对维持抗性具有重要意义。这些发现不仅深化了我们对

CRediT作者贡献说明

Yujiao Zhang：研究工作。 Zekai Huang：验证、监督、软件使用、资源获取、项目管理、方法设计、研究工作、资金申请、正式分析、数据整理、概念构建。 Baoyi Zhang：方法设计。 Fengyi Hu：监督、方法设计、资金申请、正式分析、数据整理、概念构建。 Yachong Bao：研究工作。 Quanya Tan：文章撰写——审阅与编辑、文章撰写——初稿撰写、监督工作。 Liping Ying：研究工作。 Shan Feng：

未引用参考文献

Ashikawa, 2008; Césari et al., 2014; Chen and Ronald, 2011; Cox et al., 2005; Deng et al., 2017; Douchkov et al., 2014; Fukuoka et al., 2009; Islam et al., 2003; Jiang et al., 2012; Jones and Dangl, 2006; Lee et al., 2009; Lee et al., 2011; Li et al., 2015; Li et al., 2017; Lin et al., 2007; Liu et al., 2021; Okuyama et al., 2011; Qiu et al., 2020; Ramprasad et al., 2024; Rathour et al., 2016; Stokstad, 2022; Takahashi et al., 2010; Tsuyoshi et al., 2019; Wang and Valent, 2009; Xiao et al., 2024

伦理审批

无需审批

参与同意书

无需审批

发表同意书

无需审批

数据与材料提供情况

支持本研究的所有数据集均包含在已发表的文章及其相关信息文件中。

代码可用性

无需提供

资助情况

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2023YFD2302000，负责人为FYH）、云南省科学技术厅（编号202501CF070103，负责人为QYT；编号202405AB350003，负责人为FYH）以及新基石科学基金（编号NCI202341，负责人为FYH）的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

致谢

无需致谢

Zekai Huang|Liping Ying|Yachong Bao|Shanwen Wang|Shan Feng|Peiling Liuyang|Fucui Wei|Shilai Zhang|Guangfu Huang|Xiaoping Lian|Baoyi Zhang|Yujiao Zhang|Quanya Tan|Fengyi Hu

中国云南省昆明市650500，云南大学农学院，植被结构与功能及建植国家重点实验室、云南省多年生水稻技术创新中心、农业农村部多年生水稻生物学与种质创新重点实验室、教育部多年生谷物国际联合实验室、新基石科学实验室