抗性基因助力油菜“抗癌”

冬種“一粒籽”，夏獲“萬斤油”。油菜是我國最重要的油料作物之一，其所產菜籽油是國產植物油的第一大來源，在我國食用油市場種具有舉足輕重的地位。

而菌核病是我國油菜主產區的最主要病害，也被稱作油菜“癌癥”，嚴重影響油菜高產穩產和菜籽油品質。因此，提高油菜菌核病抗性，已然成為當前比較重要且迫切的育種目標之一，也是讓“油瓶子”多裝“中國油”的重要保障。

油菜感染菌核病的癥狀。揚州大學供圖

近日，揚州大學生物科學與技術學院教授王幼平團隊研究克隆了調控油菜菌核病抗性的關鍵基因BnaA07.MKK9，并揭示該基因調控油菜菌核病性的分子機制，為深入理解油菜抗菌核病分子機理奠定基礎，并為菌核病抗性改良提供了重要基因資源。相關研究成果在國際學術期刊《自然—通訊》上在線發表。

菌核病為何成油菜“癌癥”

油菜生長發育過程中會遭受多種環境脅迫的威脅，其中菌核病是最常見、危害最大的一種病害。

油菜菌核病是由核盤菌引發的真菌病害，寄主范圍非常廣，對環境的適應性很強，因此，在油菜20 多個生產省市地區均能發現菌核病發生的“蹤跡”，給油菜的種植和產量帶來了極大的威脅和挑戰。

“核盤菌主要依靠菌絲侵染寄主，”王幼平告訴《中國科學報》，一旦成功入侵，核盤菌便會如同“鳩占鵲巢”般無情地破壞寄主細胞，汲取內部營養，影響油菜自身的抗病防御能力。

“核盤菌可以侵染油菜的多個組織和部位，其中對成株期莖稈的影響最大。它可導致莖稈腐爛，使其喪失汲取營養的能力，最終導致油菜的枯萎。”王幼平進一步介紹，因傳播途徑廣、致病性強，菌核病被稱為油菜“癌癥”。

油菜是我國種植面積第一的油料作物，對實現我國油料自給自足意義重大。然而，據統計，我國的油菜種植區幾乎每年都會遭受菌核病的侵襲。在發病較輕的地區，菌核病發病率在10％~30％之間，發病較重的地區發病率達到80％以上，造成油菜籽嚴重減產和品質下降，直接造成經濟損失數億元。

“菌核病‘勢力強大’，除了油菜之外，大豆，花生等其他油料作物也是這種病原菌的受害者。”王幼平表示，盡快找到攻克病害的“利器”刻不容緩。

尋找抗性基因

面對沉疴，如何開方？王幼平介紹，關于控制菌核病危害的方法，目前生產上主要采用栽培管理、化學及生物防治和利用抗病品種等。然而，栽培管理雖為基礎，但其防治效果往往不盡如人意；而化學及生物防治方法盡管能在一定程度上控制病害，但高昂的成本高和潛在的環境污染風險，使得這些方法并非長久之計。

王幼平說：“培育抗菌核病油菜品種是防治菌核病最為經濟、有效的措施。但是目前還面臨諸多困難和挑戰，例如抗病基因資源尚不充足，抗性基因定位進展緩慢，嚴重限制了菌核病抗性育種的進程。”

為了攻克這個難題，王幼平帶領團隊成員開啟了多年的科研攻關，在無數次的失敗和嘗試后，終于迎來了突破性進展——通過對來自不同地區的322份油菜材料進行全基因組關聯分析，成功定位并克隆一個油菜抗菌核病關鍵基因BnaA07.MKK9。

不僅如此，團隊在試驗中發現，該基因的mRNA水平、蛋白水平及翻譯后水平均受核盤菌顯著誘導。“對油菜中該基因進行過表達分析，發現葉片病斑面積及莖稈病斑長度均顯著減小，而敲除這個基因后其抗病性顯著降低，進一步證明了該基因油菜抗菌核病過程中的正調控作用。”論文第一作者、該院博士后林俐說。

林俐介紹，該基因所編碼的蛋白在核盤菌侵染后被磷酸化激活，從而進一步磷酸化激活BnaC03.MPK3/6，最終通過調控乙烯、植保素和吲哚族硫苷等抑菌物質的合成以有效提升油菜的抗病能力。

為分子育種提供更多資源

有了新型抗性基因這把“密鑰”，王幼平團隊迫不及待地打開了油菜抗性品種選育的“寶庫”大門。

團隊對BnaA07.MKK9基因進行了單倍型分析，發現其主要存在三種單倍型（Hap0、Hap1和Hap2）。在田間試驗中發現三種單倍型對菌核病的抗性表現有差異，其中Hap0的抗性最強，而Hap1的抗性最弱。相較于感病單倍型Hap1而言，Hap0可提高菌核病抗性30%，表明該單倍型可能在后期抗性育種具有較大的應用潛力。

“更有趣的是，我們發現該優異單倍型在抗性育種中受到正向選擇。”王幼平進一步解釋，經過深入研究發現，感病單倍型在春性油菜中普遍存在。此外，早期的雙低（低硫苷、低芥酸）育種的親本供體竟然也屬于感病單倍型，可以推測“雙低育種”使得油菜種質中感病單倍型的占比逐漸增加。

然而，隨著農業科技的不斷進步，抗病育種逐漸受到重視與加強，抗病單倍型開始嶄露頭角，其占比逐漸攀升，這也證實了抗病基因在育種中受到了正向選擇。

科研之路,道阻且長。王幼平認為，徹底攻克油菜“癌癥”——菌核病，絕非一朝一夕的工作，目當前的研究僅僅是這場“長征”的起始站。展望未來，團隊希望通過結合蛋白結構改造結合基因編輯，在短期內創建自然界中不存在的優異單倍型，從而加速抗性分子育種的步伐。此外，還將通過其他生物技術手段，將已公布的抗性相關基因進行聚合，獲得高抗油菜新種質。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49504-6