馬鈴薯晚疫病是全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重大病害，也是植物病理學(xué)的模式研究系統(tǒng)之一，曾導(dǎo)致歷史上著名的“愛爾蘭大饑荒”，至今每年仍造成近百億美元經(jīng)濟(jì)損失（Nature, 2023）。該病害被列入我國《一類農(nóng)作物病蟲害名錄》，是嚴(yán)重威脅糧食安全的八大病害之一。由于致病疫霉菌變異迅速，現(xiàn)有抗病基因在育種中逐漸失效，亟需挖掘新型抗性基因資源和抗病育種策略。

近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)林生物安全全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/植物保護(hù)學(xué)院董莎萌教授課題組聯(lián)合中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文團(tuán)隊(duì)在《自然》（Nature）期刊發(fā)表了題為“Plug-in Strategy for Resistance Engineering Inspired by Potato NLRome”的研究論文，為解決馬鈴薯晚疫病這一全球性難題提供了一個(gè)新方案。

構(gòu)建馬鈴薯抗病基因庫，揭示抗病基因進(jìn)化規(guī)律

作為全球最重要的非谷物主糧作物，馬鈴薯生產(chǎn)長期受晚疫病嚴(yán)重制約。盡管科學(xué)家已從野生種中克隆出近30個(gè)抗晚疫病基因，但多數(shù)已被病原菌迅速克服。傳統(tǒng)四倍體育種遺傳背景復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)多抗基因聚合。隨著雜交馬鈴薯育種計(jì)劃的推進(jìn)，馬鈴薯正從無性繁殖的四倍體向種子繁殖的二倍體轉(zhuǎn)變，為抗病育種開辟了新空間。

研究團(tuán)隊(duì)選取7個(gè)高抗晚疫病的野生馬鈴薯種質(zhì)，采用PacBio HiFi高通量測(cè)序技術(shù)完成高質(zhì)量基因組組裝，完整性高達(dá)94.6%–98.3%。結(jié)合已公開基因組數(shù)據(jù)，構(gòu)建了包含39,211個(gè)NLR類抗病基因的“馬鈴薯泛抗病基因組（Pan-NLRome）”，是目前植物界規(guī)模最大、覆蓋最全的抗病基因資源庫。

圖1. Pan-NLRome中Type I和Type II兩類進(jìn)化特征的抗病基因

研究進(jìn)一步將抗病基因劃分為Type I與Type II兩大類：Type I基因拷貝數(shù)多、變異快，主要識(shí)別卵菌、線蟲等快速進(jìn)化病原；Type II基因保守且數(shù)量少，多作為“輔助蛋白”參與免疫信號(hào)傳遞。該發(fā)現(xiàn)解釋了部分抗病基因易失效的原因，也為功能預(yù)測(cè)提供了進(jìn)化依據(jù)。

一文實(shí)現(xiàn)多基因克隆，為糧食安全注入新資源

基于Pan-NLRome資源，團(tuán)隊(duì)成功克隆了三個(gè)新型抗晚疫病基因：

Rpi-brk1：通過對(duì)馬鈴薯NLRome中非典型結(jié)構(gòu)域（ID）的進(jìn)化分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)HMA結(jié)構(gòu)域在NLR中快速進(jìn)化，并鑒定到一個(gè)攜帶重金屬結(jié)合域（HMA）的NLR基因，可直接識(shí)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(gè)在馬鈴薯中發(fā)現(xiàn)的TIR型NLR抗晚疫病基因，能夠識(shí)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(bào)道的Rpi-amr3同源。

這些抗病新基因?yàn)橥ㄟ^常規(guī)育種手段精準(zhǔn)設(shè)計(jì)抗晚疫病病性狀提供了資源支撐。

創(chuàng)新“Plug-in”育種策略：結(jié)構(gòu)域嫁接拓展抗病譜

更具突破性的是，團(tuán)隊(duì)提出“結(jié)構(gòu)域插件（Plug-in）”育種策略：將Rpi-brk1的HMA結(jié)構(gòu)域“嫁接”至已失效的R1蛋白末端，使R1同時(shí)識(shí)別AVR1與AVRbrk1，成功拓展其抗病譜（圖2）。這種“即插即用”的基因設(shè)計(jì)思路，為快速創(chuàng)制廣譜抗病品種提供了全新路徑。該策略有望通過基因編輯手段，將功能結(jié)構(gòu)域精準(zhǔn)嵌入作物原有抗病基因，繞過轉(zhuǎn)基因壁壘，實(shí)現(xiàn)抗性升級(jí)。

圖2. Plug-in抗病育種策略提高馬鈴薯晚疫病抗性

本研究不僅構(gòu)建了高質(zhì)量的抗病基因資源庫，建立了作物抗病基因挖掘的基因組學(xué)范式，更創(chuàng)新性地提出可推廣的育種策略。隨著基因編輯技術(shù)的不斷成熟，“Plug-in”策略有望成為抗病育種的核心工具，助力農(nóng)作物擺脫與病原體間無休止的“基因軍備競(jìng)賽”，為全球糧食安全提供持續(xù)科技支撐。中國團(tuán)隊(duì)打造的這套“免疫外掛”，有望推動(dòng)作物抗病育種邁入可設(shè)計(jì)、可預(yù)測(cè)的新紀(jì)元，為保障我國安全，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)科技自立自強(qiáng)提供支撐。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)董莎萌教授與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所黃三文研究員為本論文共同通訊作者。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)已出站博士后王路遙，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院已畢業(yè)博士李宏博、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院在讀博士生柯宇航為共同第一作者，植物保護(hù)學(xué)院研究生劉好好、李亞潔、食品科學(xué)技術(shù)學(xué)院朱萍副教授、中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組所博士后李玉營博士、王培博士、周紹群研究員、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、加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校Dinesh-Kumar教授等參與了本項(xiàng)目的研究。植物保護(hù)學(xué)院王源超教授、陶小榮教授、馬振川教授、王燕教授等也給予了重要支持。該研究得到了國家自然科學(xué)基金卓越創(chuàng)新群體（B類）、重點(diǎn)項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目資助。

近年來，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)在馬鈴薯研究領(lǐng)域取得向好發(fā)展，獲得多項(xiàng)國家自然基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃支持，在Nature、PNAS、The Plant Cell、Advances Science、Nature Communications等期刊取得重要進(jìn)展，多名青年教師入選國家優(yōu)青、海外優(yōu)青、江蘇杰青等支持項(xiàng)目，未來將圍繞學(xué)校“對(duì)象+”和“產(chǎn)業(yè)+”的科研布局，深化與國內(nèi)外科研和產(chǎn)業(yè)單位的緊密合作，為推動(dòng)我國馬鈴薯研究從創(chuàng)新鏈到產(chǎn)業(yè)鏈的綠色、智能、特色發(fā)展提供南農(nóng)方案。