水稻是全球最重要的粮食作物之一，但其长期受到了许多病原真菌、细菌、卵菌、线虫和病毒的威胁，因此降低了作物的产量和品质。培育对一种病原体的大多数株系/种或一种以上病原体具有抗性的优良品种是最经济和最环保的病害防控措施，因此迫切需要发掘广谱抗性(BSR)基因。

2023年1月，四川农业大学王文明教授团队在植物学顶刊Nature Plants（N1级中科院大类TOP，IF=17.352）在线发表了题为“A natural allele of proteasome maturation factor improves rice resistance to multiple pathogens”的研究论文，该研究通过转录组学筛选到了具有广谱抗性的基因UMP1^R2115，并通过标记定量蛋白组学进行了机制解析，证实了UMP1^R2115对多种病原菌的抗性，且不影响水稻产量。中科新生命为该研究提供了标记定量蛋白质组学技术服务。

研究材料

雅恢2115水稻、TP309水稻、转入和敲除UMP1^R2115的TP309水稻

技术路线

步骤1：转录组学筛选广谱抗性基因；

步骤2：UMP1^R2115基因广谱抗性的确认；

步骤3：蛋白组学解析UMP1^R2115对稻瘟病的抗性机制；

步骤4：UMP1^R2115抗稻瘟病机制验证；

步骤5：UMP1^R2115对多种病原菌具有抗性且不影响水稻产量。

研究结果

1. 转录组学筛选广谱抗性基因

雅恢2115(R2115)是四川农业大学培育的一个优质多抗超级稻恢复系，它对水稻稻瘟病表现出广谱抗性。作者使用该品系水稻探索其BSR基因。本研究中，作者对稻瘟菌侵染的R2115、易感水稻丽江新团黑谷(LTH)和3个小种特异抗稻瘟病单基因系进行了转录组分析（图1a）。16924个显著差异基因（DEG）被分为10个亚簇，其中亚簇3中的DEG仅在R2115中高表达(图1b)。KEGG通路分析结果显示亚簇3中的DEG在蛋白酶体和程序性细胞死亡中富集(图1c)。进一步分析富集通路中的基因发现编码蛋白酶体成熟因子OsUMP1的Os03g0583700（OsUMP1基因）在R2115中高表达(图1d)。

2. UMP1^R2115基因广谱抗性的确认

为了验证R2115中OsUMP1基因（UMP1^R2115）的广谱抗性，作者首先构建了OsUMP1的突变株。发现敲除OsUMP1基因的水稻（DZ108、TP309）均表现出病变区域的增大和稻瘟菌感染的增多（图1e-1h）。随后，作者将R2115的OsUMP1等位基因转入至TP309水稻（UMP1^R2115水稻）中，病变区域和稻瘟菌生长量均减少（图1i-1j）。此外，作者用稻瘟菌感染TP309、UMP1^R2115水稻和UMP1敲除的水稻，发现稻瘟菌在转入UMP1^R2115基因的水稻中增长受限（图1k-1l）。综上所述，UMP1^R2115对稻瘟菌具有侵入前和侵入后的抗性。

图1 广谱抗性基因的筛选和确认

3. 蛋白组学解析UMP1^R2115对稻瘟病的抗性机制

已知UMP1基因同源物在拟南芥和酿酒酵母中参与蛋白酶体的形成，研究发现水稻中的UMP1也发挥了蛋白酶体形成的功能，实验分析中UMP1^R2115水稻与TP309相比，表现出更高水平的蛋白酶体丰度和活性（图2a-2e）。

随后作者采用iTRAQ标记定量蛋白质组学的方式检测UMP1^R2115水稻和TP309之间的蛋白质水平的变化（图2f），研究发现在鉴定到的2767个蛋白中，UMP1^R2115中三种抗血酸过氧化物酶B8AU10(POD)、A3A7Y3 (OsAPX8)、B9FV80(POD)和CAT A0A0R7FMX6 (OsCatB)蛋白水平均有所降低（图2g）。 ELISA实验进一步证实了UMP1^R2115水稻中的参与抑制植物免疫和负调控水稻抗病性的POD和CAT蛋白表达水平的降低，活性也降低（图2h-2k）。而H₂O₂水平增加（图2l）。这表明了UMP1^R2115中蛋白酶体-POD/CAT-H₂O₂的潜在防御途径。

图2 UMP1^R2115稻瘟菌抗性机制解析

4. UMP1^R2115抗稻瘟病机制验证

作者首先验证UMP1^R2115介导的防御是否需要有活性的蛋白酶体。在稻瘟菌感染前加入了蛋白酶体抑制剂MG132，结果发现加了MG132的UMP1^R2115水稻病变区域增大、且稻瘟菌感染更多（图3a-3c）。因此，UMP1^R2115介导的稻瘟病抗性需要活跃的26S蛋白酶体，POD和CAT蛋白的降解明显依赖于蛋白酶体。

然后验证POD和CAT在UMP1^R2115稻瘟菌抗性中的作用，作者将POD/CAT编码基因在水稻中过表达，结果发现其破坏了UMP1^R2115介导的稻瘟菌抗性（图3d-3i）。

图3 UMP1^R2115稻瘟菌抗性机制确认

5. UMP1^R2115对多种病原菌具有抗性且不影响水稻产量

接下来为了研究蛋白酶体-POD/CAT-H₂O₂防御通路是否由病原体信号诱导的，作者用几丁质或flg22处理TP309和UMP1^R2115水稻。研究发现在UMP1^R2115水稻中，蛋白酶体水平增强、POD和CAT量减少，H₂O₂量更高，证实了UMP1^R2115介导的防御是几丁质和flg22诱导的（图4a-4e）。

由于几丁质和flg22分别是真菌和细菌的主要激发子，作者研究了UMP1^R2115对多种细菌和真菌病原体的抗性（图4f-4k）,结果证实UMP1^R2115增强了对具有独特生活方式的病原体亦具有抗性。

此外作者还发现转入UMP1^R2115基因的TP309水稻和正常的TP309水稻，在植物形态、产量上均相当，即UMP1^R2115的转入既具有病菌的广谱抗性亦不影响水稻产量（图4l-4s）。

图4 UMP1^R2115对多种菌具有抗性且不影响水稻产量

小编小结

该研究在雅恢2115中筛选到了一个编码蛋白酶体成熟因子的天然等位基因UMP1^R2115，该基因对多种病害具有广谱抗性对水稻产量没有影响。此外通过蛋白组学的机制解析发现了UMP1^R2115具有广谱抗性的通路，即活性26S蛋白酶体-POD和CAT降解-H₂O₂提高，从而增强水稻对多种病原菌的抵御能力。UMP1^R2115的发现为培育抗多种病害的高产水稻品种提供了新的基因资源。