馬鈴薯晚疫病是全球重大農(nóng)作物病害之一，也是被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部列入我國《一類農(nóng)作物病蟲害名錄》的8個重大病害之一，其爆發(fā)曾造成史上著名的“愛爾蘭大饑荒”，每年造成近百億美元損失 （Nature, 2023）。由于病原菌致病疫霉的基因組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變異迅速，目前農(nóng)業(yè)育種中使用的抗病基因快速失去功能，亟待進一步挖掘新的晚疫病抗性基因資源。傳統(tǒng)馬鈴薯育種依賴四倍體品種，遺傳背景復(fù)雜，抗病基因難以有效聚合。為解決這一難題，中國農(nóng)科院聯(lián)合國內(nèi)外優(yōu)勢單位發(fā)起了“優(yōu)薯計劃”，提出以二倍體替代四倍體、以雜交種子替代薯塊的策略，從根本上變革馬鈴薯的育種和繁殖方式，而晚疫病抗病育種“優(yōu)薯計劃”的重要研究方向。

2025年10月30日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室深圳分中心）黃三文團隊與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院/農(nóng)林生物安全全國重點實驗室董莎萌團隊合作在Nature發(fā)表了題為“Plug-in Strategy for Resistance Engineering Inspired by PotatoNLRome”的研究論文，為解決這一全球性難題提供了一個新方案。該研究構(gòu)建了馬鈴薯抗病基因資源庫，揭示了識別和輔助兩類抗病基因在序列和功能上的分化特征，并闡明了它們與具有不同進化潛力的病原菌之間的協(xié)同演化規(guī)律。利用比較和演化基因組學(xué)，研究團隊挖掘出三個新抗晚疫病基因，并在對其抗病機理的深入解析基礎(chǔ)上提出了“Plug-in（插件式）”抗病育種新策略，為培育持久抗病的馬鈴薯品種開辟了全新路徑。

構(gòu)建馬鈴薯抗病基因庫，揭示兩大類型基因進化特征

團隊此前構(gòu)建的馬鈴薯泛基因組（Nature，2022）和單倍型泛基因組（Nature，2025）尚未涵蓋高抗晚疫病的種質(zhì)材料。為此，研究團隊從頭組裝了7個高抗晚疫病的野生馬鈴薯基因組，并結(jié)合45個已發(fā)表的基因組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了包含39,211個核苷酸結(jié)合的富亮氨酸重復(fù)免疫受體（NLR）類抗病基因的“馬鈴薯抗病基因組”（NLRome，圖1），充分代表了野生和栽培馬鈴薯廣泛的多樣性。這是目前植物界最完整、規(guī)模最大的抗病基因資源庫。通過對NLRome的大規(guī)模比較分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)NLR基因可分為Type I和Type II兩大類。Type I基因拷貝數(shù)多、變異豐富，作為“識別受體”甄別卵菌、線蟲和病毒等快速進化的病原體；Type II基因則相對保守、拷貝數(shù)少，常作為“輔助受體”參與免疫信號傳導(dǎo)。該研究系統(tǒng)揭示了NLR進化與功能的關(guān)系，也為抗病基因功能預(yù)測提供了演化依據(jù)。

圖1 | 馬鈴薯NLRome中Type I和Type II兩類抗病基因的演化特征

克隆三個抗病新基因，拓寬抗晚疫病資源

依托上述基因組資源，研究團隊利用比較和演化基因組學(xué)方法，成功克隆了三個新型馬鈴薯抗晚疫病基因。

Rpi-brk1：通過對馬鈴薯NLRome中非典型結(jié)構(gòu)域（ID）的進化分析，團隊發(fā)現(xiàn)HMA結(jié)構(gòu)域在NLR中快速進化，并鑒定到一個攜帶重金屬結(jié)合域（HMA）的NLR基因，可直接識別效應(yīng)蛋白AVRbrk1，其抗病作用依賴HMA結(jié)構(gòu)域與病原菌效應(yīng)子的直接互作。

Rpi-cjm1：首個在馬鈴薯中發(fā)現(xiàn)的TIR型NLR抗晚疫病基因，能夠識別多種AVRblb2家族效應(yīng)蛋白，抗病譜寬于已知的Rpi-blb2抗病基因。

Rpi-cph1：首次在野生馬鈴薯S. cardiophyllum中發(fā)現(xiàn)，與光果龍葵中已報道的Rpi-amr3同源。這些抗病新基因為通過常規(guī)育種手段精準設(shè)計抗晚疫病病性狀提供了資源支撐。

發(fā)明“插件式”模塊，創(chuàng)新抗病改良策略

更為令人振奮的是，研究團隊發(fā)現(xiàn)將Rpi-brk1的HMA結(jié)構(gòu)域“嫁接”到已失效的抗晚疫病蛋白R1的末端后，可使原本僅識別AVR1的R1同時識別AVRbrk1，從而拓展了抗病譜（圖2）。這種“即插即用”的基因設(shè)計思路為快速培育廣譜抗病品種提供了全新思路。研究團隊將其命名為“結(jié)構(gòu)域插件”（plug-in）育種策略。研究表明，將R1的LRR結(jié)構(gòu)域末端添加Rpi-brk1的HMA結(jié)構(gòu)域，能使R1獲得對AVRbrk1的識別能力。這一策略可通過基因編輯手段，將特定功能域精準嵌入作物原有抗病基因，實現(xiàn)廣譜抗性的創(chuàng)制。

圖2 | “Plug-in”抗病育種策略提高馬鈴薯晚疫病抗性

綜上，該研究不僅挖掘出一批我國自主知識產(chǎn)權(quán)的抗晚疫病新基因，為作物抗病基因挖掘建立了進化基因組學(xué)工具，更提出了“plug-in”這一種創(chuàng)新的抗病育種策略。隨著基因編輯技術(shù)的不斷發(fā)展，“plug-in”策略有望成為作物抗病育種的重要工具之一，為應(yīng)對農(nóng)作物重大病害、保障全球糧食安全提供強有力的科技支撐。未來，科研人員或許只需根據(jù)病原菌效應(yīng)子的變異趨勢，提前設(shè)計抗病“插件”模塊，便可設(shè)計出持久抗病的作物品種，為農(nóng)作物抗病育種與基因改良提供新思路和新范式。

基因組所（大鵬灣實驗室）黃三文研究員與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院董莎萌教授為共同通訊作者。基因組所（大鵬灣實驗室）副研究員王路遙（原中國農(nóng)科院與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后）、已畢業(yè)博士李宏博（現(xiàn)單位山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院）、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院在讀博士生柯宇航為論文共同第一作者。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心萬里研究員、基因組所（大鵬灣實驗室）周紹群研究員、美國加州大學(xué)Davis分校Dinesh-Kumar教授為本研究作出了重要指導(dǎo)。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院朱萍副教授、基因組所（大鵬灣實驗室）博士后李玉營、已出站博士后王培（現(xiàn)工作單位云南農(nóng)科院），南京農(nóng)業(yè)大學(xué)劉好好、李亞潔，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心陳京祺參與了此研究。該研究得到了國家自然科學(xué)基金卓越研究群體、重點項目，廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點項目和山東省“泰山學(xué)者”等項目資助。

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09678-5