果壳与张启发 张启发院士等人PNAS发表水稻新成果

生物通报道:虫害是全球范围内降低农作物产量和质量的一个主要限制。寄主植物抗性通常是控制害虫的一个关键策略,但是经常被新出现的昆虫种群所克服。在自然界中,植物已经发展出了各种策略用于可持续的防御。近期,来自武汉大学和华中科技大学的研究人员,分离出了一个抗褐飞虱基因BPH9,并表明该基因位点的等位基因已被广泛应用于水稻育种,使水稻生产免遭大量的褐飞虱(BPH)损伤。

相关研究结果发表在10月24日的《PNAS》杂志。华中科技大学作物遗传改良国家重点实验室的张启发院士、武汉大学生命科学学院的何光存教授和陈荣智博士,是本文共同通讯作者。

在自然界中,自从3亿5000万年前出现第一个植食昆虫以来,植物和昆虫一直都参与在无休止的“攻击和反击”循环。在这一过程中,昆虫也发展出了各种功能,从植物那里获取食物,因此,植物已经进化出了许多对付昆虫的策略,如排趋性——将昆虫从其正常的寄主身上赶走;抗生性——减少昆虫的生存、生长率和繁殖。

在农业中,害虫是全球范围内代降低作物产量和质量的一个主要限制。一个类似自然界中共同进化的过程,也发生在农业系统中。

褐飞虱(BPH;Nilaparvata lugens Stål)是一种最严重的水稻(Oryza sativa L.)害虫,广泛发生在南亚、东南亚和东亚,以及南太平洋群岛和澳大利亚。大约25万年前,这种昆虫被认为经历了从假稻属植物到水稻的宿主转移。

自那之后,BPH演变为栽培水稻的一种单食性食草昆虫。在与BPH的协同进化过程中,水稻已经对BPH演化出了不同的耐药机制,因此BPH一直都被视为传统水稻栽培系统中的一种小昆虫。

BPH在水稻植株上摄食并建立种群的能力,随水稻品种的变化而有所不同。在过去的几十年中,从传统的水稻种植到现代、高产但易得病的水稻品种,出现了戏剧性的转变。这样一种种植制度似乎刺激了BPH种群的发展,从而导致虫害的频繁爆发,严重降低了水稻产量。

在1969年,科学家首次在Mudgo品种中证明了褐飞虱寄主植物抗性,这个品种携带抗性基因BPH1。IR26是第一个具有BPH1抗性的现代水稻品种,是在1973年选育出来的。

然后,许多携带Bph1基因的抗褐飞虱品种被发布出来,这使得水稻生产免于大量褐飞虱损害。然而,在1976年一个新的褐飞虱种群发展起来(2型),破坏了这种抗性,它们能够摄食BPH1植物以引起叶蝉烧。随后,研究人员选育并广泛种植携带BPH2种群的水稻品种,它们显示出了有效的抗病性。在1981年,另一个能够克服BPH2抗性的褐飞虱种群(3型)也被检测出来。

在过去的几十年中,研究人员已在栽培稻和野生稻物种中鉴定出了30个BPH抗性基因。有趣的是,大多数的这些基因被定位到集群中的几个染色体区域。12号染色体的长臂上的集群(12L),是携带8个BPH抗性基因的最大的一个集群,包括最广泛使用的BPH2 和BPH1。一个基因BPH26,已经从这一区域中克隆出来。

在这项研究中,研究人员通过图位克隆策略从12L上克隆出了BPH9。他们发现,BPH9是BPH26的等位基因,集群中的其他BPH抗性基因是Bph9/26的等位基因。该基因位点在水稻种质资源中表现出广泛的序列多样性。这一发现对于寄主-虫害相互作用的共同进化,以及抗性品种的选育,有着重要的意义。

今年6月,张启发院士与加州大学河滨分校的研究人员,在新研究中基于代谢组学预测了杂交稻的产量。他们的研究结果发布在6月17日的The plant journal杂志上。相关阅读:华中农大张启发院士The plant journal发表水稻研究新成果。

8月份,张启发院士携同美国亚利桑那大学的研究人员证实,两种优质籼稻品种珍汕97(Zhenshan 97)和明恢63(Minghui 63)的参考基因组之间有着广泛的序列差异。这项研究发布在8月17日的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。相关阅读:华中农大张启发院士PNAS发表重要水稻研究成果。

9月份,在Nature旗下的开放获取杂志《Scientific Data》发表的一项研究中,来自华中农业大学和美国亚利桑那州大学的研究人员,用PacBio的long read测序数据和Illumina双末端测序数据,构建了两个籼稻的参考基因组。相关阅读:张启发院士Nature子刊发表水稻基因组成果。