华中农业大学在解决玉米南方锈病问题研究中取得新进展

近日，华中农业大学玉米团队在《自然通讯》上发表了研究论文。该研究成功克隆了广谱持久抗玉米南方锈病基因（RppK）。感病条件下，该基因能显著提高玉米对南方锈病的抗性，并增加产量11.9%～17.1%；正常条件下，该基因对产量没有影响。

南方锈病是当下黄淮海玉米产区重要病害之一，而玉米南方锈病（SCR）是由活体营养型真菌Puccinia polysora引起的世界性重要玉米病害。

玉米研究团队鉴定到一个广谱抗病基因RppK及其效应因子AvrRppK，并解析了其抗病机制。通过克隆RppK对应的南方锈病菌效应分子AvrRppK，发现该效应蛋白在南方锈病菌的所有分离菌株中都存在且100%保守，进一步揭示了RppK基因广谱抗玉米南方锈病的分子机制。该基因具有重要的育种应用价值，改良的抗病品种已于2019年开始推广应用，目前还在为国内多家种业公司的10多个玉米骨干自交系进行抗病改良工作。

研究团队与北京农林科学院赵久然研究员团队合作，对大面积推广的玉米杂交种“京科968”的亲本进行抗病的分子标记辅助选择，组配出抗南方锈病的改良品种。多年多点的田间小区试验，研究团队发现在南方锈病发病的试验点，改良品种的抗病性显著高于“京科968”，产量比京科968增加11.9%～17.1%。同时，在南方锈病不发生的试验点，改良品种与京科968在产量和重要农艺性状上均没有显著差异。

研究团队采用分子辅助育种和转基因育种策略，进一步改良了8个正在生产应用的玉米杂交种，田间试验均获得类似的结论，在南方锈病发病条件下，RppK基因能显著增强玉米抗病性同时提高产量；在不发病条件下，该基因的导入对产量和重要农艺性状没有负面影响。由此，证实RppK基因对玉米抗南方锈病的遗传改良具有巨大的应用价值。应国内多家种业公司的要求，目前正对他们的核心材料进行抗病改良工作。

为了进一步探究RppK广谱抗南方锈病的分子机制，该研究团队结合大规模原生质体筛选、烟草瞬时表达和AvrRppK蛋白注射实验从南方锈病病原菌P. polysora中克隆到RppK识别的效应因子AvrRppK。测序分析发现，AvrRppK基因在所有的分离菌株（来源于海南、广西、湖北等玉米种植区）中都存在，且其DNA序列100%保守。此外，在玉米中表达AvrRppK基因能够有效抑制几丁质激活的PTI反应并提高玉米对南方锈病的感病性。由此证实，AvrRppK蛋白是P. polysora的核心效应因子。鉴于RppK基因广谱持久的发挥南方锈病抗性和AvrRppK基因的核心效应蛋白特性，该研究证实了利用识别核心效应子的单个NLR基因足以赋予作物对特定病原菌的广谱抗病性。