水稻廣譜持久抗病與產量平衡的遺傳與表觀遺傳調控機制

稻瘟病是水稻最嚴重的病害，被稱為水稻生產的“癌癥”，廣泛侵染水稻、小麥等禾本科作物，2012?年被列為十大真菌病害之首。我國稻瘟病年均發病面積在?8?000?萬畝以上，減產?10%—20%，因此我國水稻新品種審定已實行稻瘟病抗性的“一票否決”制。生產上最經濟有效的方法是選育廣譜抗病新品種，但長期以來缺乏能有效應用于育種的廣譜與持久抗瘟基因，一般的抗病基因往往推廣幾年就喪失抗病性，而多個抗病基因聚合育種往往會降低產量與品質。

為解決這個長期的理論與生產問題，我們與育種家合作，在不同生態區建立稻瘟病抗性自然鑒定病圃。經過多年多點篩選，獲得了一批廣譜持久的抗瘟材料。其中“谷梅?4?號”抗性表現最突出，優于國際上已知的具有廣譜抗性的Pi-2、Pi-9、Pizt?等，30?多年的田間抗性記錄顯示其抗性可以一直保持。“谷梅?4?號”品種包含一個廣譜抗病位點，命名為Pigm，該位點定位在第?6?號染色體上。Pigm?位點包含?13?個?NLR?類抗病基因。功能解析發現該位點編碼功能性的?NLR?受體蛋白?PigmR?和?PigmS。其中?PigmR?組成型表達，可形成同源二聚體，控制對所有檢測的稻瘟病菌小種的廣譜抗病性，但也存在抗病代價——使產量降低。而另一個?NLR?受體蛋白?PigmS?可以競爭性地與?PigmR?結合形成異源二聚體，抑制?PigmR?的抗病功能。在水稻長期進化和馴化過程中，PigmS?基因的表達受表觀遺傳調控，其在花粉中特異性高表達有利于提高水稻的產量，彌補?PigmR?降低產量的缺陷。正是由于?PigmS?低水平的表達，為病原菌提供了一個“避難所”，選擇壓力變小，減緩病原菌對?PigmR?致病性的進化，因此使?Pigm?位點具有持久的抗病性。因此，利用?Pigm?位點選育的品種既有廣譜抗病性又不影響最終的產量。

該研究發現植物采用表觀遺傳方式，精妙調控一對功能拮抗的免疫受體蛋白協調廣譜抗病與產量平衡的新機制，是植物免疫和作物廣譜抗病機制的重大突破，是作物抗病的奠基性工作，為破解作物高抗與產量矛盾提出了新的理論與有效的分子技術，便于培育高產高抗新品種。該成果已被隆平高科、豐樂種業、荃銀高科、中國水稻所等?40?多家育種單位應用于抗病分子育種。利用?Pigm?的特異分子標記快速選育改良一大批廣譜持久抗病水稻新材料，其中中國水稻所育成的高抗早秈稻品種已經推廣超過?1?000?萬畝，隆平高科已經有?4?個廣譜抗病新品種通過國家審定，具有巨大的應用價值。

氮高效利用分子模塊與綠色超級稻的培育

氮元素是有機體的必需營養成分，是決定作物生物量和產量的核心因素之一。長期以來，以追求產量為主要目標的農業生產模式導致化肥的過量施用，統計表明，全世界每年施用氮肥超過?1.2?億噸。我國化肥年用量?6?000?多萬噸，占世界化肥消費總量的?33%，是世界平均水平的?3?倍，而肥料利用率僅約?30%。氮肥的使用為作物增產起到了巨大的推動作用，但氮肥大量施用不僅增加了農業生產成本，更為重要的是導致包括氣候變化、土壤酸化及水體富營養化等環境災難。正因為如此，氮污染被認為是?21?世紀人類面臨的最大環境挑戰，據估計僅歐盟每年用于治理氮污染的費用就在?700—3?200?億歐元之間。而另一方面，不斷增長的人口對糧食產量提出了更大需求。因此，如何在減少氮肥施用的同時提高農作物產量始終是困擾科學工作者的一個難題，而培育高氮肥利用效率的作物新品種是解決這一系列問題的關鍵。

研究揭示了NRT1.1A，NRT1.1B?和?ARE1?等氮高效利用分子模塊。NRT1.1B編碼一個硝酸鹽轉運蛋白，其在秈粳稻間只有一個氨基酸差別，且秈稻與粳稻呈現出顯著分化。秈稻型NRT1.1B具有更高的硝酸鹽吸收及轉運活性。在含有秈稻型NRT1.1B的近等基因系材料中，硝酸鹽同化過程關鍵基因也被顯著上調，而在nrt1.1b突變體材料中相關基因被顯著抑制，表明秈稻中的NRT1.1B影響了硝酸鹽的吸收、轉運和同化等環節，從而導致秈稻具有更高的氮肥利用能力。因此，NRT1.1B?一個堿基的自然變異是導致粳稻與秈稻間氮肥利用效率差異的重要原因。將秈稻型NRT1.1B導入粳稻品種，在北京、上海、長沙?3?個試驗點進行的田間實驗表明，含有秈稻型NRT1.1B的粳稻品種在一半施氮條件下，與對照相比增產?30%—33%，氮肥利用效率提高?30%；在正常施氮條件下，增產?8%—10%，氮肥利用效率提高約?10%。這一結果表明，NRT1.1B在粳稻氮利用效率改良上具有巨大應用價值。為此，Nature Plants為該項成果寫的專評文章認為：“該項研究不僅揭示了水稻亞種間氮利用效率差異的分子機制，更為重要的是，它為綠色超級稻的培育提供了一個重要的基因資源”。

我們與嘉興市農業科學研究院合作，通過分子模塊設計育種技術，利用?NRT1.1B?已培育多個具有較好應用前景的綠色水稻品系，在浙江連續?2?年進行的?50—100?畝連片種植測產的畝產可達?860—900?公斤。2017?年，華中農業大學組織的“全國綠色超級稻第三方評價”結果表明，所送?4?個品系分別在中氮水平即每公頃施肥?100?公斤（湖北每公頃平均施肥?180?公斤，減氮?80?公斤）下，產量最高可達?678?公斤（2015?年全國水稻平均畝產?453?公斤），在全國選送的?25?個材料中，分獲第?1?名、第?2?名、第?5?名和第?9?名。表明分子模塊設計育種技術體系在綠色超級稻培育中具有廣闊的應用前景。

水稻產量性狀雜種優勢機制

雜種優勢是指雜交子一代在適應性、產量、抗性等方面均優于雙親的生物學現象。近?50?年來，育種家根據雜種優勢和雄性不育原理，選擇和改良有效的雜交配組，通過三系法、兩系法等途徑培育出大量高產雜交稻，例如“汕優?63”“兩優培九”等，大幅提高了我國水稻產量。雜種優勢的產生是復雜的遺傳學現象，其背后的機理一直以來不完全清楚。

通過收集?1?495?份雜交稻品種材料，并對?17?套代表性遺傳群體進行了基因組分析和田間產量性狀考察，綜合利用數量遺傳學、基因組學及計算生物學領域的一系列新技術，全面、系統地鑒定出了控制水稻雜種優勢的主要基因位點，剖析了雜交稻雜種優勢的分子遺傳機制。研究發現這些遺傳位點在雜合狀態時大多表現出不完全顯性，通過雜交育種產生了全新的基因型組合，從而在雜交一代高效地實現了對水稻花期、株型、產量各要素的理想搭配，形成雜種優勢。如傳統三系雜交稻組合中，父本（恢復系）聚集了較多的優良等位基因，綜合性狀配置優良；在此基礎上，來自母本（不育系/保持系）的少數等位基因則進一步改善了水稻植株的結實率、花期和穗粒數（如?hd3a?基因）及株型（如?IPA、tac1基因等），實現了雜交組合子一代的優勢表現。這些發現對推動雜交稻和常規稻的精準分子設計育種實踐有重大意義。