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主要作者与机构

该研究由Yiwen Deng、Keran Zhai、Zhen Xie、Dongyong Yang、Xudong Zhu、Junzhong Liu、Xin Wang、Peng Qin、Yuanzhu Yang、Guomin Zhang、Qun Li、Jianfu Zhang、Shuangqing Wu、Joëlle Milazzo、Bizeng Mao、Ertao Wang、Huaan Xie、Didier Tharreau和Zuhua He共同完成。研究团队来自多个机构，包括中国科学院上海植物生理生态研究所、浙江大学、中国水稻研究所等。该研究于2017年3月3日发表在《Science》期刊上。

学术背景

该研究的主要科学领域是植物科学，特别是水稻的抗病性与产量平衡的遗传机制。水稻稻瘟病是由真菌Magnaporthe oryzae引起的，是全球水稻生产中最具破坏性的病害之一。传统的育种方法在提高抗病性的同时，往往会导致产量下降。该研究旨在揭示一种能够在不影响产量的情况下，赋予水稻持久抗病性的遗传机制。

研究流程

1. 基因定位与克隆
   研究团队首先通过精细定位，将抗病基因Pigm定位在一个细菌人工染色体（BAC）重叠群上。通过对该区域的测序，发现了13个编码核苷酸结合富含亮氨酸重复序列（NLR）受体的基因簇，其中包括三个完整转录的NLR受体基因（R4、R6和R8）和10个潜在假基因。

2. 功能验证
   通过互补实验，研究团队验证了R6（命名为PigmR）是赋予水稻对Magnaporthe oryzae抗性的关键基因。PigmR转基因株系表现出与供体品种Gumei 4相同的抗性谱，能够完全抵抗50个稻瘟病菌株的侵染。

3. PigmS的功能研究
   研究发现，另一个NLR受体基因R8（命名为PigmS）能够通过竞争性抑制PigmR的同源二聚化来减弱抗性。PigmS的表达受到严格的表观遗传调控，其在花粉和穗中高表达，而在其他组织中表达水平较低。

4. 表观遗传调控机制
   研究进一步揭示了PigmS的表达受到RNA介导的DNA甲基化（RdDM）途径的调控。PigmS启动子区域包含两个微型转座子（MITE1和MITE2），这些转座子通过RdDM途径在叶片中沉默PigmS的表达，而在花粉中表达水平较高。

5. 产量平衡机制
   研究发现，PigmR转基因株系在提高抗病性的同时，会导致产量下降，而PigmS转基因株系则通过增加结实率来抵消PigmR引起的产量损失。PigmR和PigmS双转基因株系在不影响产量的情况下，表现出高抗病性。

主要结果

1. PigmR的抗性机制
   PigmR通过其富含亮氨酸重复序列（LRR）域识别Magnaporthe oryzae的多种效应因子，赋予水稻广谱抗性。PigmR转基因株系在自然田间试验中表现出高抗病性。

2. PigmS的抗性抑制机制
   PigmS通过与PigmR形成异源二聚体，抑制PigmR的同源二聚化，从而减弱抗性。PigmS的表达受到表观遗传调控，其在花粉和穗中高表达，而在叶片中表达水平较低。

3. 表观遗传调控机制
   PigmS启动子区域的MITE1和MITE2通过RdDM途径在叶片中沉默PigmS的表达，而在花粉中表达水平较高。RdDM途径基因的沉默导致PigmS表达增加，从而减弱PigmR介导的抗性。

4. 产量平衡机制
   PigmR转基因株系在提高抗病性的同时，会导致产量下降，而PigmS转基因株系则通过增加结实率来抵消PigmR引起的产量损失。PigmR和PigmS双转基因株系在不影响产量的情况下，表现出高抗病性。

结论

该研究揭示了一种通过表观遗传调控拮抗性NLR受体来平衡水稻抗病性与产量的机制。PigmR和PigmS通过不同的表达模式和功能，协同调控水稻的抗病性和产量。这一发现为培育既抗病又高产的水稻品种提供了新的遗传工具。

研究亮点

1. 重要发现
   该研究首次揭示了通过表观遗传调控拮抗性NLR受体来平衡水稻抗病性与产量的机制。

2. 方法创新
   研究团队通过精细定位、功能验证和表观遗传调控机制研究，系统解析了PigmR和PigmS的功能及其相互作用。

3. 应用价值
   该研究为培育既抗病又高产的水稻品种提供了新的遗传工具，具有重要的应用价值。

其他有价值的内容

该研究还开发了一个新的水稻杂交品种（Longliangyou3189），该品种在不同地区表现出高抗病性和高产性，进一步验证了Pigm基因的应用潜力。

通过这项研究，我们不仅深入理解了水稻抗病性与产量平衡的遗传机制，还为未来的作物育种提供了新的思路和工具。