水稻分子模块设计研究成果与展望

水稻广谱持久抗病与产量平衡的遗传与表观遗传调控机制

稻瘟病是水稻最严重的病害，被称为水稻生产的“癌症”，广泛侵染水稻、小麦等禾本科作物，2012 年被列为十大真菌病害之首。我国稻瘟病年均发病面积在 8 000 万亩以上，减产 10%—20%，因此我国水稻新品种审定已实行稻瘟病抗性的“一票否决”制。生产上最经济有效的方法是选育广谱抗病新品种，但长期以来缺乏能有效应用于育种的广谱与持久抗瘟基因，一般的抗病基因往往推广几年就丧失抗病性，而多个抗病基因聚合育种往往会降低产量与品质。

为解决这个长期的理论与生产问题，我们与育种家合作，在不同生态区建立稻瘟病抗性自然鉴定病圃。经过多年多点筛选，获得了一批广谱持久的抗瘟材料。其中“谷梅 4 号”抗性表现最突出，优于国际上已知的具有广谱抗性的Pi-2、Pi-9、Pizt 等，30 多年的田间抗性记录显示其抗性可以一直保持。“谷梅 4 号”品种包含一个广谱抗病位点，命名为Pigm，该位点定位在第 6 号染色体上。Pigm 位点包含 13 个 NLR 类抗病基因。功能解析发现该位点编码功能性的 NLR 受体蛋白 PigmR 和 PigmS。其中 PigmR 组成型表达，可形成同源二聚体，控制对所有检测的稻瘟病菌小种的广谱抗病性，但也存在抗病代价——使产量降低。而另一个 NLR 受体蛋白 PigmS 可以竞争性地与 PigmR 结合形成异源二聚体，抑制 PigmR 的抗病功能。在水稻长期进化和驯化过程中，PigmS 基因的表达受表观遗传调控，其在花粉中特异性高表达有利于提高水稻的产量，弥补 PigmR 降低产量的缺陷。正是由于 PigmS 低水平的表达，为病原菌提供了一个“避难所”，选择压力变小，减缓病原菌对 PigmR 致病性的进化，因此使 Pigm 位点具有持久的抗病性。因此，利用 Pigm 位点选育的品种既有广谱抗病性又不影响最终的产量。

该研究发现植物采用表观遗传方式，精妙调控一对功能拮抗的免疫受体蛋白协调广谱抗病与产量平衡的新机制，是植物免疫和作物广谱抗病机制的重大突破，是作物抗病的奠基性工作，为破解作物高抗与产量矛盾提出了新的理论与有效的分子技术，便于培育高产高抗新品种。该成果已被隆平高科、丰乐种业、荃银高科、中国水稻所等 40 多家育种单位应用于抗病分子育种。利用 Pigm 的特异分子标记快速选育改良一大批广谱持久抗病水稻新材料，其中中国水稻所育成的高抗早籼稻品种已经推广超过 1 000 万亩，隆平高科已经有 4 个广谱抗病新品种通过国家审定，具有巨大的应用价值。

氮高效利用分子模块与绿色超级稻的培育

氮元素是有机体的必需营养成分，是决定作物生物量和产量的核心因素之一。长期以来，以追求产量为主要目标的农业生产模式导致化肥的过量施用，统计表明，全世界每年施用氮肥超过 1.2 亿吨。我国化肥年用量 6 000 多万吨，占世界化肥消费总量的 33%，是世界平均水平的 3 倍，而肥料利用率仅约 30%。氮肥的使用为作物增产起到了巨大的推动作用，但氮肥大量施用不仅增加了农业生产成本，更为重要的是导致包括气候变化、土壤酸化及水体富营养化等环境灾难。正因为如此，氮污染被认为是 21 世纪人类面临的最大环境挑战，据估计仅欧盟每年用于治理氮污染的费用就在 700—3 200 亿欧元之间。而另一方面，不断增长的人口对粮食产量提出了更大需求。因此，如何在减少氮肥施用的同时提高农作物产量始终是困扰科学工作者的一个难题，而培育高氮肥利用效率的作物新品种是解决这一系列问题的关键。

研究揭示了NRT1.1A，NRT1.1B 和 ARE1 等氮高效利用分子模块。NRT1.1B编码一个硝酸盐转运蛋白，其在籼粳稻间只有一个氨基酸差别，且籼稻与粳稻呈现出显著分化。籼稻型NRT1.1B具有更高的硝酸盐吸收及转运活性。在含有籼稻型NRT1.1B的近等基因系材料中，硝酸盐同化过程关键基因也被显著上调，而在nrt1.1b突变体材料中相关基因被显著抑制，表明籼稻中的NRT1.1B影响了硝酸盐的吸收、转运和同化等环节，从而导致籼稻具有更高的氮肥利用能力。因此，NRT1.1B 一个碱基的自然变异是导致粳稻与籼稻间氮肥利用效率差异的重要原因。将籼稻型NRT1.1B导入粳稻品种，在北京、上海、长沙 3 个试验点进行的田间实验表明，含有籼稻型NRT1.1B的粳稻品种在一半施氮条件下，与对照相比增产 30%—33%，氮肥利用效率提高 30%；在正常施氮条件下，增产 8%—10%，氮肥利用效率提高约 10%。这一结果表明，NRT1.1B在粳稻氮利用效率改良上具有巨大应用价值。为此，Nature Plants为该项成果写的专评文章认为：“该项研究不仅揭示了水稻亚种间氮利用效率差异的分子机制，更为重要的是，它为绿色超级稻的培育提供了一个重要的基因资源”。

我们与嘉兴市农业科学研究院合作，通过分子模块设计育种技术，利用 NRT1.1B 已培育多个具有较好应用前景的绿色水稻品系，在浙江连续 2 年进行的 50—100 亩连片种植测产的亩产可达 860—900 公斤。2017 年，华中农业大学组织的“全国绿色超级稻第三方评价”结果表明，所送 4 个品系分别在中氮水平即每公顷施肥 100 公斤（湖北每公顷平均施肥 180 公斤，减氮 80 公斤）下，产量最高可达 678 公斤（2015 年全国水稻平均亩产 453 公斤），在全国选送的 25 个材料中，分获第 1 名、第 2 名、第 5 名和第 9 名。表明分子模块设计育种技术体系在绿色超级稻培育中具有广阔的应用前景。

水稻产量性状杂种优势机制

杂种优势是指杂交子一代在适应性、产量、抗性等方面均优于双亲的生物学现象。近 50 年来，育种家根据杂种优势和雄性不育原理，选择和改良有效的杂交配组，通过三系法、两系法等途径培育出大量高产杂交稻，例如“汕优 63”“两优培九”等，大幅提高了我国水稻产量。杂种优势的产生是复杂的遗传学现象，其背后的机理一直以来不完全清楚。

通过收集 1 495 份杂交稻品种材料，并对 17 套代表性遗传群体进行了基因组分析和田间产量性状考察，综合利用数量遗传学、基因组学及计算生物学领域的一系列新技术，全面、系统地鉴定出了控制水稻杂种优势的主要基因位点，剖析了杂交稻杂种优势的分子遗传机制。研究发现这些遗传位点在杂合状态时大多表现出不完全显性，通过杂交育种产生了全新的基因型组合，从而在杂交一代高效地实现了对水稻花期、株型、产量各要素的理想搭配，形成杂种优势。如传统三系杂交稻组合中，父本（恢复系）聚集了较多的优良等位基因，综合性状配置优良；在此基础上，来自母本（不育系/保持系）的少数等位基因则进一步改善了水稻植株的结实率、花期和穗粒数（如 hd3a 基因）及株型（如 IPA、tac1基因等），实现了杂交组合子一代的优势表现。这些发现对推动杂交稻和常规稻的精准分子设计育种实践有重大意义。