稻瘟病是由稻瘟病菌 (Magnaporthe oryzae) 引起的毁灭性病害，有“水稻癌症”之称。稻瘟病发生于世界各地，可发病于水稻的各生育期，近年来每年给我国造成30亿公斤以上的粮食损失，威胁着我国乃至全世界粮食安全。该病害在连续阴雨连绵、光照不足时常常会大爆发，但是其机制至今仍不清楚。
8月12日，PNAS发表了南京农业大学张正光教授课题组题为Phosphorylation-guarded light-harvesting complex II contributes to broad-spectrum blast resistance in rice的研究论文，揭示了光照和水稻抗稻瘟病菌之间的关系。该研究从遗传和分子生物学水平上揭示了水稻利用光照调控自身免疫的机制，为选育抗病水稻品种提供新思路。
在正常条件下，水稻捕光复合体家族成员LHCB5 (LHC, Light harvesting complex)与PsbS (Photosystem II subunit S) 是维持叶绿体电子传递的重要组分。该研究发现，稻瘟病菌入侵水稻时，LHCB5的第24位苏氨酸发生磷酸化，叶绿体电子传递受阻，导致电子在叶绿体中大量积累，诱发叶绿体中活性氧的迸发，激活了抗病相关基因，从而提高了水稻对稻瘟病菌的抗病性。
通过分析3000份水稻种质资源，该研究发现LHCB5基因的启动子区域存在丰富的多态性位点 (SNPs, Single nucleotide polymorphisms)，不同的SNPs决定着LHCB5基因转录水平的高低，并且在粳稻和籼稻品种中存在明显分化，粳稻中LHCB5的转录水平显著高于籼稻品种。进一步对200多份水稻材料进行转录水平和抗性关联性分析，发现LHCB5的转录水平与抗性呈正相关，且LHCB5超表达的转基因水稻对稻瘟病菌不同的小种表现出广谱抗性。有意思的是，LHCB5的磷酸化主要发生在高转录水平的水稻材料中，且LHCB5的磷酸化与抗性呈正相关。更为重要的是，LHCB5磷酸化调控的抗性与含有理想型启动子的后代共分离，证明LHCB5的磷酸化是可遗传的，这对后期选育抗病品种具有重要意义。
图：光照调控水稻捕光复合体蛋白LHCB5磷酸化介导对稻瘟病菌广谱抗性的机制
早在上世纪60年代，George McNew就提出“病害三角”的概念，即具有致病力的病原物、感病的寄主植物和适宜的环境条件，三者互相配合才能导致病害的发生。以往对水稻抗病性的研究，往往就聚焦在病原物和寄主植物上。受“病害三角”理论启发，张正光团队此次将研究聚焦在环境条件方面，揭示了光照和水稻抗稻瘟病菌机制之间的关系，为选育抗病水稻品种提供新思路。
据悉，南京农业大学植保学院刘木星博士为第一作者，张正光教授为通讯作者。南京农业大学郑小波教授、崔中利教授、张海峰教授、沈丹宇副教授及菲律宾国际水稻所的Bo Zhou教授与Suobing Zhang博士、吉林农业大学的孙文献教授、美国路易斯安娜州立大学的Ping Wang教授与俄亥俄州立大学的Guo-Liang Wang教授参与了该研究。
论文链接：
www.pnas.org/content/early/2019/08/09/1905123116
