07月29日，華中農業大學玉米團隊在《自然通訊》發表題為“Cloning southern corn rust resistant gene RppK and its cognate gene AvrRppK from Puccinia polysora”的研究論文。該研究成功克隆了廣譜持久抗玉米南方銹病基因RppK。感病條件下，該基因能顯著提高玉米對南方銹病的抗性，并增加產量11.9%-17.1%；而正常條件下，該基因對產量沒有影響。   　　南方銹病是當下黃淮海玉米產區重要病害之一，而玉米南方銹?。⊿outhern corn rust，SCR）是由活體營養型真菌Puccinia polysora引起的世界性重要玉米病害。該病害可引起玉米減產20%-30%，嚴重時減產50%以上。最近幾年，玉米南方銹病在黃淮海夏玉米區和南方玉米種植區呈現大面積流行趨勢，全國年發病面積在500萬公頃以上，嚴重危害我國玉米的產量和品質?？刂圃摬『ψ罱洕行У姆椒ㄊ峭诰蚝屠每共』蜻M行抗病品種選育。   　　華中農業大學玉米團隊鑒定到一個廣譜抗病基因RppK及其效應因子AvrRppK，并解析了其抗病機制。通過克隆RppK對應的南方銹病菌效應分子AvrRppK，發現該效應蛋白在南方銹病菌的所有分離菌株中都存在且100%保守，進一步揭示了RppK基因廣譜抗玉米南方銹病的分子機制。該基因具有重要的育種應用價值，改良的抗病品種已于2019年開始推廣應用，目前還在為國內多家種業公司的10多個玉米骨干自交系進行抗病改良工作。   　　玉米研究團隊于2011年在500多份自然變異群體中篩選到廣譜持久的抗南方銹病自交系材料K22。后續利用遺傳連鎖群體，在玉米第10號染色體短臂上鑒定到抗南方銹病主效位點，并采用圖位克隆方法成功分離到一個NLR家族的抗病基因RppK。遺傳互補實驗表明，RppK基因不僅能夠賦予玉米對南方銹病菌多個生理小種的廣譜高抗表型。進一步分析發現，該基因是通過基因組不對稱交換產生的一個新基因，對500多份具有代表性的自交系分析發現，僅有不到3%的材料的基因組含有該基因，而絕大部分玉米育種材料基因組不存在這個基因。把該基因導入到不同的玉米遺傳背景材料中均能顯著提高對南方銹病的抗性，有重要的育種應用價值。   　　研究團隊與北京農林科學院趙久然研究員團隊合作，對大面積推廣的玉米雜交種“京科968”的親本進行抗病的分子標記輔助選擇，組配出抗南方銹病的改良品種。多年多點的田間小區試驗，研究團隊發現在南方銹病發病的試驗點，改良品種的抗病性顯著高于“京科968”，產量比京科968增加11.9%-17.1%。同時，在南方銹病不發生的試驗點，改良品種與京科968在產量和重要農藝性狀上均沒有顯著差異。   　　研究團隊采用分子輔助育種和轉基因育種策略，進一步改良了8個正在生產應用的玉米雜交種，田間試驗均獲得類似的結論，在南方銹病發病條件下，RppK基因能顯著增強玉米抗病性同時提高產量；在不發病條件下，該基因的導入對產量和重要農藝性狀沒有負面影響。由此，證實RppK基因對玉米抗南方銹病的遺傳改良具有巨大的應用價值。應國內多家種業公司的要求，目前正對他們的核心材料進行抗病改良工作。   　　為了進一步探究RppK廣譜抗南方銹病的分子機制，該研究團隊結合大規模原生質體篩選、煙草瞬時表達和AvrRppK蛋白注射實驗從南方銹病病原菌P. polysora中克隆到RppK識別的效應因子AvrRppK。測序分析發現，AvrRppK基因在所有的分離菌株（來源于海南、廣西、湖北等玉米種植區）中都存在，且其DNA序列100%保守。此外，在玉米中表達AvrRppK基因能夠有效抑制幾丁質激活的PTI反應并提高玉米對南方銹病的感病性。由此證實，AvrRppK蛋白是P. polysora的核心效應因子。鑒于RppK基因廣譜持久的發揮南方銹病抗性和AvrRppK基因的核心效應蛋白特性，本研究證實了利用識別核心效應子的單個NLR基因足以賦予作物對特定病原菌的廣譜抗病性。   　　華中農業大學作物遺傳改良全國重點實驗室和湖北洪山實驗室的賴志兵教授和嚴建兵教授為該論文的共同通訊作者。博士后陳庚申、張報，已畢業博士生王宏澤，河南農業大學丁俊強教授為該論文的共同第一作者。該研究得到國家重點研發計劃項目和國家自然科學基金的資助。   　　【英文摘要】   　　Broad-spectrum resistance has great values for crop breeding. However, its mechanisms are largely unknown. Here, we report the cloning of a maize NLR gene, RppK, for resistance against southern corn rust （SCR） and its cognate Avr gene, AvrRppK, from Puccinia polysora （the causal pathogen of SCR）。 The AvrRppK gene has no sequence variation in all examined isolates. It has high expression level during infection and can suppress pattern-triggered immunity （PTI）。 Further, the introgression of RppK into maize inbred lines and hybrids enhances resistance against multiple isolates of P. polysora, thereby increasing yield in the presence of SCR. Together, we show that RppK is involved in resistance against multiple P. polysora isolates and it can recognize AvrRppK, which is broadly distributed and conserved in P. polysora isolates.   　　論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-32026-4