一、受體激酶SBRR1：水稻鞘枯病抗性育種的新靶點
鞘枯病（Sheathblight，ShB）由壞死營養(yǎng)真菌 Rhizoctonia solani 引起，是世界上最嚴重的水稻病害之一。以前還沒有表征過具有高潛力水稻 ShB 抗性育種的基因。近期，揚州大學(xué)左示敏教授團隊及其他團隊通過全基因組關(guān)聯(lián)研究鑒定了 ShB 耐藥受體樣激酶1（SBRR1）基因的活性及其TT682/683位點位點的磷酸化，揭示了天然水稻品種中的 ShB 抗性的關(guān)鍵機制，為抗病育種和功能基因組研究提供了重要參考。
文獻標題：Natural variation in SBRR1 shows high potential for sheath blight resistance breeding in rice
發(fā)表期刊：Nature Genetics (IF 29.0) Pub Date: 2025-07-30,
DOI:10.1038/s41588-025-02281-4
發(fā)表單位：揚州大學(xué)左示敏教授團隊聯(lián)合中國農(nóng)科院植物保護研究所、河北師范大學(xué)等單位
樣本類型：水稻模型
研究手段：全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）、體內(nèi)外磷酸化實驗、LC-MSMS-磷酸化位點（百泰派克生物技術(shù)提供質(zhì)譜檢測服務(wù)）、酵母單雜交實驗、EMSA、ChIP-qPCR、Co-IP+WB、轉(zhuǎn)錄組測序
二、研究結(jié)果
1、GWAS確定了SBRR1與ShB耐藥性的緊密聯(lián)系，并發(fā)現(xiàn)其關(guān)鍵位點的磷酸化修飾是介導(dǎo)耐藥性的關(guān)鍵機制
文章對來自中國、日本和韓國各地的178個商品水稻品種的ShB抗性進行了評估，發(fā)現(xiàn)其中78.09%的品種表現(xiàn)出易感性，僅有1.69%呈現(xiàn)中度抗性。通過基因分型測序分析，鑒定出覆蓋整個水稻基因組的109,444個高質(zhì)量單核苷酸多態(tài)性（SNP）。發(fā)現(xiàn)位于11號染色體上的連鎖不平衡（LD）區(qū)塊（191kb）內(nèi)（圖1a），編碼G型凝集素受體樣激酶（LecRLK）蛋白的 LOC_Os11g10290被確定為最可能的候選基因，并命名為抗鞘枯病RLK1（SBRR1）。
為驗證SBRR1在水稻抗鞘枯病中的作用，文章對T-DNA插入突變體SBRR1、SBRR1基因敲除株系（SBRR1-KO1/2/3）及過表達株系（SBRR1-OE1/2/3）的表型進行評估，結(jié)果證實SBRR1基因?qū)η士莶】剐跃哂姓蛘{(diào)控作用，且其活性是抗性所必需的（圖2a-d）。在使用SBRR1-OE植株進行的Phos標簽SDS-PAGE檢測中，發(fā)現(xiàn)SBRR1蛋白在感染 R.solani后12 h 出現(xiàn)明顯的條帶遷移：與0 h相比，18 h時該條帶強度達到最高水平（約四倍），但在野生型（WT）中未檢測到，表明病原體侵襲會誘導(dǎo)SBRR1磷酸化（圖2e）。
隨后采用LC-MS/MS檢測了 R.solani感染引發(fā)的氨基酸殘基磷酸化（我司提供該項技術(shù)服務(wù)）。結(jié)果顯示，SBRR1-OE植株在感染 R.solani后，其S678、T682、T683和Y733殘基發(fā)生磷酸化；這些殘基在未感染時未檢測到磷酸化，其中T682和T683的磷酸化水平尤為顯著（圖2f）；注意到T682和T683均位于SBRR1的激酶激活環(huán)區(qū)域，而通常情況下，激酶活性需要激活環(huán)中1-3個殘基的磷酸化才能實現(xiàn)。為評估T682和T683位點磷酸化對SBRR1激酶活性的影響，文章將這兩個蘇氨酸殘基突變?yōu)楸彼幔═T682/683AA）。實驗發(fā)現(xiàn)，His-SBRR1-ICDTT682/683AA（ICD，胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域）蛋白完全抑制了SBRR1的自磷酸化（圖2g），這表明TT682/683位點的磷酸化對SBRR1激酶活性至關(guān)重要。為進一步驗證體內(nèi)實驗結(jié)果，文章構(gòu)建了受35S啟動子調(diào)控的過表達轉(zhuǎn)基因水稻植株，結(jié)果顯示，與野生型相比，過表達TT682/683AA的植株并未增強抗鞘枯病能力，其抗性顯著低于過表達SBRR1的植株（圖2h)。綜合這些數(shù)據(jù)可知，SBRR1的激酶活性及其TT682/683位點的磷酸化是介導(dǎo)SBRR1抗鞘枯病作用的關(guān)鍵機制。
圖1 全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）分析ShB抗性基因
圖2 SBRR1在ShB耐藥中的功能的轉(zhuǎn)基因驗證
2、SBRR1-R是主要存在于秈稻中的一個優(yōu)質(zhì)等位基因
文章對SBRR1基因的等位基因（染色體11：5586341-5592553 bp)進行了重新測序，并在編碼區(qū)鑒定出一個變異位點（即前文提及的SNP1653或S94780），并在啟動子區(qū)發(fā)現(xiàn)三個與ShB抗性顯著相關(guān)的變異位點。基于這四個顯著相關(guān)變異位點，進一步鑒定了SBRR1的兩種單倍型，并分別被命名為SBRR1-R和SBRR1-S（圖1c）。
為了證實啟動子區(qū)域的變異導(dǎo)致SBRR1-R和SBRR1-S之間的抗性差異，文章用精英啟動子（EPro）改造SBRR1突變體，構(gòu)建了pSBRR1XWX7:SBRR1DJ （源自XWX7的SBRR1-R啟動子驅(qū)動Dongjin株系（DJ）的SBRR1-S編碼區(qū)）。三個EPro品系在R. solani接種后，誘導(dǎo)型SBRR1轉(zhuǎn)錄水平顯著提升，達到WT-DJ的3倍左右，表明XWX7來源的SBRR1-R啟動子對R. solani感染的響應(yīng)確實比SBRR1-S啟動子更強（圖3a)。在抗性評估中，三個EPro品系的菌斑長度（~15.22–15.70 cm）均顯著短于野生型（18.76 cm）和SBRR1突變體（23.84 cm）（圖3b）。田間試驗的抗性表型與溫室實驗結(jié)果一致（EPro轉(zhuǎn)基因品系的主要農(nóng)藝性狀與WT相比無明顯變化）。這些數(shù)據(jù)證實了SBRR1-R優(yōu)質(zhì)等位基因在啟動子區(qū)域的自然變異是其抗性較強的原因。
經(jīng)過綜合調(diào)查，SBRR1-R在秈稻和粳稻品種中存在差異。地理分布分析顯示，SBRR1-R等位基因主要分布在東南亞、東亞、南亞和非洲，這些區(qū)域的氣候條件均有利于水稻生長階段的短葉型鞘枯病（ShB）發(fā)展（圖3c）；文章用秈稻與野生水稻的核苷酸多樣性分析了SBRR1-R的分子進化特征，含有SBRR1- R的秈稻品種和含有SBRR1- S的粳稻品種分別與野生稻的Or-I型和Or-III型親緣關(guān)系最密切（圖3f），表明SBRR1-R和SBRR1-S等位基因分別來源于Or-I和Or-III。綜上所述，SBRR1-R等位基因起源于野生稻Or-I，然后被位于短葉型鞘枯病侵染條件較好的地區(qū)的大多數(shù)秈稻品種遺傳。
圖3 ShB抗性功能，地理分布和SBRR1-R的分子進化
3、SBRR1-R等位基因展現(xiàn)出巨大的育種潛力
測試了SBRR1-R對日本粳稻抗鞘枯病（ShB）的育種潛力。基于SBRR1-R與SBRR1-S啟動子區(qū)域的序列差異，文獻通過使用特異性識別256 bp插入片段的功能標記，文章成功將SBRR1-R導(dǎo)入兩個商品粳稻品種（日本粳稻品種TG394和XD3），并發(fā)現(xiàn)其顯著提升了兩種水稻品種的抗病性。值得注意的是，在嚴重鞘枯病條件下，該優(yōu)質(zhì)等位基因可挽救高達9.54%的總產(chǎn)量損失（26.75%總產(chǎn)量損失）。當(dāng)然，這一結(jié)論仍需在更多遺傳背景各異的水稻品種中進行大規(guī)模田間試驗驗證，但該研究結(jié)果表明SBRR1-R在開發(fā)抗鞘枯病新品種方面具有巨大潛力（圖4）。
圖4 兩種轉(zhuǎn)基因株系的鞘枯病表型對比
三、研究結(jié)論：
本文研究通過遺傳學(xué)、分子生物學(xué)與組學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)闡明了SBRR1介導(dǎo)的水稻抗紋枯病抗病機制；群體遺傳學(xué)分析揭示了基因-環(huán)境互作對稻作適應(yīng)性的影響，SBRR1的生產(chǎn)應(yīng)用實現(xiàn)了產(chǎn)量與抗病性的平衡；進化分析發(fā)現(xiàn)SBRR1基因在鞘枯病易發(fā)地區(qū)的秈稻品種中普遍存在，但在高緯度粳稻品種中存在頻率極低，該基因可顯著提升部分秈稻品種及多數(shù)粳稻品種抗鞘枯病的能力。通過改文章的研究，如果農(nóng)業(yè)方面將SBRR1基因?qū)敫弋a(chǎn)粳稻品種并應(yīng)用于生產(chǎn)，能有效降低鞘枯病爆發(fā)時的產(chǎn)量損失。
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