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项目名称：主要粮食作物重大病害控制的基础研究首席科学家：彭友良中国农业大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容本项目将结合我国作物病害控制的重大需求与国际植物病理学科前沿发展的趋势，探讨下列主要科学问题：1）“基因对基因”病害中病菌致病型变异的时空分布规律及其与抗病新品种选育和布局的关系。已知病原物无毒基因的变异或缺失产生新的致病型，从而克服相应抗病基因的有效性、导致作物品种抗病性的丧失。虽然目前已从真菌和细菌中分离了不少无毒基因，但缺少有关致病型时空动态规律的研究，有关无毒基因的分子功能及其变异的遗传机制的认识也不很深入，因而没有建立有效选育和选用抗病品种的理论。本项目将围绕粮食作物的“基因对基因”病害，广泛研究病菌致病型的时空分布规律，深入解析无毒基因的分子功能及其变异的遗传机制，探讨“基因对基因”病害抗性品种培育和布局的理论。2）植物病原真菌和细菌的何种类型特异致病关键基因可以作为设计新型杀菌剂用靶标。有关植物病原物致病性机制的研究报道很多，但是什么是病原物的关键致病基因、选择什么类型的致病基因为靶标设计杀菌剂才是环保高效的？对此，尚没有深入、准确和完整的认识。本项目将分别通过系统鉴定粮食作物的主要病原真菌和细菌的致病性和致病力基因，发现其中的关键致病基因，深入解析其作用机理，并有选择地开展致病蛋白的晶体结构研究，探讨环保高效杀菌剂设计用靶标选定的理论。3）持久抗病作物的分子育种途径。虽然通过遗传杂交途径培育了大量的抗病作物品种，但是广谱、持久的抗病作物品种还很少。其中一个尚未解决的重要科学问题是由于缺少对抗病资源的系统发掘和分子评价，尚未确定何种类型的基因可以用于持久抗病作物的培育和分子设计。对此，本项目将广泛鉴定在植物抗病性中具有重要作用的QTL和具有相对广谱抗病性的主效基因，评价其在抗病作物的培育和分子设计中的利用价值，探讨持久抗病作物的分子育种策略。4）植物病毒基因沉默抑制子作用机制及其在抗病毒作物的分子育种中的利用价值。由于抗病毒的植物资源很少，抗病毒作物培育的理论将主要依靠对植物与病毒相互作用机制的深入认识。病毒基因沉默抑制子是植物病毒广泛存在的通用致病机制之一，但对植物病毒基因抑制子抑制基因沉默的机制了解甚少，对其作用机制的深入研究将为设计抗病毒作物提供理论基础。本项目将通过鉴定与病毒基因沉默抑制子相互作用的寄主蛋白，解析病毒致病及逃避寄主植物防御的分子机理，探讨抗病毒作物的分子育种策略与途径。5）调控植物抗病性的全局性因子。植物抗病性是多个基因共同表达的结果，并涉及许多次生代谢途径的变化。但我们目前对植物抗病性在分子水平上的认识是基于分子遗传学、分子生物学和生物化学研究，有局限性。理想的植物病害安全控制途径是充分发挥植物自身的抗病机制，但需要我们对植物抗病机制有整体性的和准确的认识。为此，本研究将从蛋白组、转录组和代谢组水平上全面阐述植物的抗病机制，发现其中的关键基因和小分子化合物，在此基础上探索植物病害控制的新理论和途径。主要研究内容：1）粮食作物“基因对基因”病害中病原物致病型变异规律与抗病品种的选育、布局理论。虽然抗病品种的利用被认为是最安全、有效和经济的手段，但我国一直未能就“基因对基因”病害开展与抗病基因布局密切相关课题的深入研究，以致我国粮食作物主栽品种的抗病基因型基本不明、作物抗病品种的选育处于无的放矢状态。因此，我国抗病品种的利用在多数情况下是偶然的，生产上经常出现品种抗病性丧失和病害大流行。本课题将围绕水稻的稻瘟病、白叶枯病、细条病和小麦条锈病，广泛分析、比较病菌致病型的时空分布规律，分别设计这些“基因对基因”病害抗性品种布局的方案。同时，探讨利用一些广谱致病型小种，在相应地区开展有针对性的抗病资源筛选和品种抗病性改良，以期建立抗病品种的选育和布局的理论。通过基因组比较、基因敲除和互补等技术，深入解析无毒基因的分子功能及其变异的遗传机制，奠定小种分子检测技术的基础。2）粮食作物主要病原真菌和细菌致病性和致病力基因的系统鉴定与农药设计用候选靶标基因的发现。选择农业生产上重要的、且本项目前期工作基础好的水稻稻瘟病菌、白叶枯病和细条病以及小麦赤霉病菌为主要对象，通过全基因组系统插入突变或基因敲除途径，系统鉴定其中致病基因和致病力基因，并通过组学和生物信息学技术，构建致病基因和致病力基因的网络，发现其中的关键基因。深入研究关键致病基因的作用机理，包括与其直接互作的上下游基因、蛋白的表达动态、亚细胞定位、功能结构域及其晶体结构，筛选农药设计用候选靶标基因。3）植物病毒基因沉默抑制子作用机理及其在抗病毒作物分子育种中利用价值。目前抗病毒的植物资源很少，因此，抗病毒作物培育的理论将主要依靠对植物与病毒相互作用机制的深入认识。绝大多数病毒利用自身编码的基因沉默抑制子突破植物的基因沉默防御体系进行植物侵染，因此病毒基因沉默抑制子是植物病毒通用的重要致病机制，对其作用机理的深入研究有可能为设计抗病毒作物提供理论基础。对模式植物拟南芥和黄瓜花叶病毒研究表明，病毒RNA沉默抑制因子可以干扰寄主基因的甲基化、干扰寄主RNA沉默途径主要蛋白如AGO蛋白的功能。但是，这些作用究竟哪一种在病毒致病中发挥关键作用，尚不清楚。对主要作物病毒RNA沉默抑制因子与病毒引致病害的机理则更不清楚，而初步的研究发现许多作物病毒如水稻矮缩病毒编码多个RNA沉默抑制因子，这些不同抑制子在病毒引致病害中如何发挥作用尚不清楚。本项目将以水稻的矮缩病毒、水稻条纹叶枯病毒、水稻黑条矮缩病毒和双生病毒为研究对象，通过鉴定与病毒基因沉默抑制子相互作用的寄主蛋白，并确定其互作的生物学意义，阐明病毒致病及逃避寄主植物防御的分子机理，探讨抗病毒作物的分子育种策略与途径。4）水稻广谱抗病基因资源的系统鉴定、分子评价和创建。抗病育种需要广泛鉴定具有广谱抗性的抗病主效基因和抗病QTL。本项目将利用关联分析方法对200个水稻核心种质系和主推水稻品种中的稻瘟病菌和白叶枯病菌的抗病基因进行定位，从水稻基因组快速鉴定与抗病相关的单核苷酸多态性，实现基因的规模化克隆；鉴定和分离广谱抗病主效基因；分离水稻中的抗病QTL，发掘具有病原种类非特异性的广谱和持久抗性的基因资源；通过研究上述各类抗性基因的作用机理及其相关的抗病信号传导路径，探索高效利用具有广谱和持久抗性的优良基因改良水稻抗性的途径；根据鉴定的水稻抗稻瘟病基因的序列特征和抗谱，设计并合成新的广谱抗稻瘟病主效基因。5）水稻抗病性的组学基础。理想的植物病害安全控制途径是充分发挥植物自身的抗病机制，但需要从蛋白组、转录组和代谢组水平上对植物抗病机制有整体性的和准确的认识。为此，本研究将利用蛋白组、转录组和代谢组技术全面揭示水稻的抗病机制，发现其中对水稻抗病性有全局性调控作用的关键基因和生物活性化合物或抗菌性化合物，在此基础上探索植物病害控制的新理论和途径。二、预期目标本项目的总体目标是围绕我国粮食作物重大病害的控制，在水稻抗病品种的培育和布局、无公害新型杀菌剂的靶标选定两个方面取得有实质性理论意义的创新性结果。五年的具体预期目标为：1.水稻稻瘟病等“基因对基因‛病害的抗病品种选育和布局的理论体系和实施方案。包括建立一套可用于局部水稻抗瘟品种选育的广谱致病型菌株，力争利用这些菌株选育出有用的抗病资源或品种；分别提出有关水稻稻瘟病、白叶枯病、和小麦条锈病等病害的抗性品种布局方案，并在粮食生产大省示范基地加以验证。2.在水稻主要病原真菌和病原细菌的致病新基因的鉴定及其分子功能研究上取得创新性结果，力争建立新型环保高效杀菌剂设计用候选靶标基因筛选的理论体系。包括从稻瘟病菌和小麦赤霉病菌等中鉴定致病基因和致病力新基因100个左右，明确10-20个关键致病基因及其作用机理，从中确定2-3个为新型环保高效农药设计用候选靶标基因，阐明1-2个致病蛋白的功能结构域和晶体结构。鉴定白叶枯病菌和细条病菌中所有致病相关基因，明确20-30个关键致病基因，筛选出2-3个杀细菌设计用候选靶标基因。3.提出利用植物miRNA、病毒vsiRNA和调控植物DNA甲基化水平获得抗病毒植物的新策略。此外，鉴定RSV、RDV、RBSDV和双生病毒编码的基因沉默抑制因子相互作用的寄主因子7－10个，明确这些寄主因子与抑制因子的作用的生物学意义；发现RDV、RSV和RBSDV侵染条件下新的水稻miRNA及其调控的靶基因8－10个；鉴定和发现RDV、RSV和RBSDV侵染条件下具有高表达的病毒vsiRNA15－20个；明确双生病毒沉默抑制子在抑制DNA甲基化过程中的作用机制。4.提出适合我国的广谱抗病水稻品种的分子育种策略，并鉴定、克隆和创建8-10个新的抗稻瘟病和抗白叶枯病主效基因，其中广谱抗病新基因2-3个；发现1-3个有应用前景的优良抗病QTL；建立水稻抗病基因的快速、规模化鉴定分离方法。5.从水稻中鉴定、证实具有全局性调控作用的关键基因2-3个，分离10个以上具有生物活性（包括抗菌活性）的化合物，确定它们在水稻病害控制中的利用价值。6.通过发表高水平的研究论文和主办和参加国际性大型学术会议，扩大我国植物病理学研究在国际上的影响。包括发表SCI论文200篇左右，其中有国际影响的研究论文10篇以上，申请国家发明专利和PCT10个，主办第10届国际植物病理学大会。7.建立一支有国际影响的植物病理学研究队伍，包括力争培养1个国家级研究创新群体、2-3名国家杰出青年基金的获得者、2-3名全国百篇优秀博士论文获得者。三、研究方案本项目将根据我国粮食作物病害控制中的实际问题和植物病理学科国际前沿研究及其发展趋势，选取水稻、小麦和玉米的重大病害为对象，尤其是其中的“基因对基因”病害重点对象，围绕抗病品种培育和新型杀菌剂设计用候选靶标的筛选两条主线，设置6个课题，开展下列5个方面与植物病害控制密切相关内容的基础研究。有关主要内容的学术思想、实施的技术途径、特色和创新点、以及取得突破的可行性分析如下：1，粮食作物“基因对基因‛病害中病原物致病型变异规律与抗病品种的选育、布局理论学术思想：国内外一直未能确定“基因对基因”病害中病原物致病型变异规律与抗病基因型之间的关系，以致病原物的致病型尚未从基因型来定义，作物抗病品种的选育处于无的放矢状态，从而生产上经常出现品种抗病性丧失和病害大流行。我们认为：从分子遗传学的角度来看，病菌的小种或致病型是各无毒基因的组合。因此，在自然界小种的数量是非常庞大的。但如果按照无毒基因型来分类小种，不仅可以显著减少小种数量，还可以确定病菌群体具有广谱致病性的小种以及用于抗病品种的筛选筛选的小种。技术途径：本课题将选取水稻的稻瘟病、白叶枯病、细条病和小麦条锈病，从“万能感病‛品种上广泛连续收集各病菌，在近等基因系上测定各病菌的无毒基因型，发现各病菌小种或致病型的时空分布规律，分别设计针对这些“基因对基因‛病害抗性品种布局的方案。同时，探讨利用一些广谱致病型小种，在相应地区开展有针对性的抗病资源筛选和品种抗病性改良，以期建立抗病品种的选育和布局的理论。此外，通过全基因组比较、基因敲除和互补等技术，深入解析无毒基因的分子功能及其变异的遗传机制，奠定小种的分子检测技术基础。特色与创新点以及可行性分析：从学术思想上，本研究首先从分子遗传学上将病菌的小种或致病型定义为各无毒基因的组合，并认为病菌群体中广谱致病性小种在选择压力下的迅速上升是导致品种抗病性丧失的原因。因此，抗病品种的培育和布局应针对这类小种。从技术路线上，本研究将从没有选择压力的“万能感病‛品种上广泛连续收集病菌，只有这样才能准确测定病菌群体的小种组成及其变化。项目组在“十一五‛973项目实施过程中已发现我国稻瘟病菌群体致病型具有按县聚类的趋势，籍此提出了按县筛选和布局抗瘟品种的方案，并成功地实施了抗瘟品种布局技术的大面积示范。同时，项目组还在一些县市的稻田发现了广谱致病性小种，利用该小种筛选出了适用的抗瘟品种，为本项目建立抗瘟品种选育和布局理论提供了坚实基础。此外，在上一个973项目实施过程中，本项目组还建立了一些研究基地，为本项目相关内容