1、项目名称： 植物免疫机制与作物抗病分子设计的重大基础理论首席科学家： 何祖华 中国科学院上海生命科学研究院起止年限： 2011.1 至 2015.8依托部门： 中国科学院 农业部二、预期目标（一）项目总体目标深入阐明重要粮食作物的免疫机理、建立我国主要农作物重大病害抗病机制为模式的创新研究体系，结合我国转基因新品种培育的重大战略需求，建立作物抗病分子设计的理论与技术体系。本项目将系统分离并鉴定重要粮食作物水稻和麦类新的抗病基因（包括QTL） 、病原菌致病因子的寄主靶标、模式植物拟南芥的重要调控基因及其在作物中的相应功能等，建立我国特色的分子植物病理学前沿理论研究模型，开辟植物免疫研究的国际前沿
2、，前瞻性地布局国际前沿的创新研究领域与技术体系。在植物新的免疫机制、作物广谱持久抗病的分子遗传机制、作物重要腐生病（如纹枯病）的抗病性等方面获得重大突破，并以此为基础建立重要粮食作物抗病分子设计的重大基础理论和技术体系。本项目将在农作物抗病性的基础理论上做出创新性贡献，为作物抗病育种提供具有自主知识产权的新策略、新技术和基因资源。本项目的实施将在高水平研究论文发表、专利申请和优秀人才培养与团队建设等方面做出重大贡献，大幅提高我国的农业科学理论与技术水平，实现跨越式发展，显著增强我国农业科学自主创新的能力，为国家“转基因新品种培育重大专项” 的高效实施提供理论与技术体系的保障。（二）五年预期目标
3、1. 建立水稻和麦类作物免疫研究的前沿体系以水稻为代表的农作物与拟南芥相比，它们的免疫分子机理既有相似性，但在抗病基因的结构和功能、对病原菌 PAMP 和 effector 识别应答及其调控网络的结构等方面存在重要差异，并存在较多的技术障碍，重要的研究体系也没有很好建立。本项目将立足于领域前沿与国家需求，分别把水稻和小麦的重要抗病系统的研究进一步发展成为全面、成熟、具有国际前沿水平的植物抗病分子机理研究的模式体系；并初步建立对顽拗性腐生病原菌纹枯病（立枯丝核菌）和赤霉病（禾谷镰孢）免疫研究的技术平台与重要的抗病相关基因资源，全面揭示宿主农作物对腐生性病原侵染的应答网络和免疫机制，为分子植物病理
4、学科的发展和作物抗病分子育种提供新的理论和途径。2. 深化植物免疫研究的模式和内容，开辟国际领先的研究新领域本项目课题组在近几年已在拟南芥的 PTI 和 ETI，SAR，及其交互作用（cross-talk）做出了系列的国际水平的研究成功，项目的实施将进一步建立合作团队，凝练主攻方向，在植物 ETI 的新机制、ETI-PTI 交互作用、新的 SAR 调控因子上建立国际领先的研究领域，获得系列重要研究成果。3. 创建植物免疫表观遗传调控研究新体系目前植物免疫的表观遗传机制研究刚刚起步，若干重要问题亟待解决。本项目将利用相关课题组已经建立的国际前沿植物 RNA 沉默及抗病毒分子机理的研究水平的基础上
5、，鉴定新的表观遗传因子与作用机制，系统研究植物中 RNA沉默介导的表观遗传机制在植物免疫中的新的调控功能；建立重要作物病害如黄单胞菌（白叶枯病）对水稻 siRNA 的调控的全基因组网络，阐明植物 miRNAs是否通过调控 R 基因直接参与植物抗病反应，在新的层面上认识植物免疫的RNA 沉默途径的应答机制，建立创新的植物免疫研究理论与技术体系，在农作物抗病的理论和转基因抗病新技术上取得新的突破。4. 剖析作物抗病性与产量性状关联的分子机制，建立学科交叉领域以水稻抗病反应与发育的交互作用为模式系统，阐明水稻 SAR 基因 OsNPR1如何调控生长素发育途径，从而调节水稻产量性状的分子机制；阐明 E
6、T 发育途径参与水稻稻瘟病抗性的分子机理；阐明以水稻病毒病（RDV 和水 RBSDV)侵染植物导致植物矮化的分子机理，为病毒防治寻找新的途径；建立新的作物抗病与发育交叉研究领域，在学科创新上有持续的生命力。5. 系统发掘作物重要抗病新基因，解析新的抗性机制目前从水稻和小麦中克隆的抗病基因数量非常有限，极大部分抗病基因还未知。 这对于全面理解作物与病原菌的相互作用及抗病机制是主要的限制因素。尤其是对广谱持久抗病性的分子机制基本上是空白。此外，对于类似纹枯病这样的水稻病害，其危害已越来越严重，但在水稻中迄今尚未鉴定有重要抗性的基因位点。本项目将系统克隆 30-50 个水稻抗病基因（尤其是广谱持久抗
7、病基因）、麦类慢锈病抗病主效 QTL 等、以及重要的抗病调控基因，系统剖析这些新抗病基因的抗性机制，尤其将在克隆水稻广谱抗病基因 ROD1、 Pigm、小麦慢条锈苗期主效数量抗性基因 Yrq1 及大麦慢叶锈成株期主效数量抗性基因Rphq4 的基础上，确定其在免疫反应网络中所承担的功能，提出植物广谱持久抗病性遗传与分子机理的模型，也为接续的分子设计育种奠定基础。6. 创立并实践作物抗病分子设计的基础理论与技术体系本项目将整合上述基础理论和基因资源，解决抗病分子设计育种的关键科学问题，包括：优异等位或同源抗病基因的开发、基因簇内复等位基因的重组和功能评价；新型抗病基因的分子设计和功能评价；抗病基因
8、的聚合转化/转育及其功能评价。本项目将率先建立水稻和小麦抗病分子设计的实践模型，发展 2-3 种农作物抗病改良的新策略，为广泛开展作物抗病分子设计育种奠定理论与技术基础。通过科学的分子手段，结合传统育种手段对农作物栽培品种进行遗传改良，得到抗病性显著改良和广谱抗病的水稻、小麦等农作物的品系 7-10 个，获得 2-3个能够抗水稻纹枯病、病毒病等疑难病害的农作物品（株）系。7. 创造系列高水平的研究成果，大幅提升我国在本领域的国际地位在国内外核心刊物上发表研究论文 100 篇左右。其中，在国际一流学术期刊（IF 8.0）上发表论文 1015 篇，申请发明专利 2030 项，授权专利710 个，主
9、办一次大型专业国际学术会议，大幅提升我国科研团队在国际上的研究地位。8. 全面推进优秀人才培养和创新团队建设依托项目实施，进一步凝练我国在植物免疫和作物抗病分子领域的战略目标，培养一批具有科学创新精神和在专业领域具有较高国际显示度的中青年学科带头人，建设具有国际一流水平的研究队伍。培养博士后和研究生 150 名左右，为我国现代农业生物技术的发展奠定人才基础。三、研究方案（一）总体学术思路本项目紧密结合农业生物学学科前沿，并为保障我国粮食生产安全和支撑国家转基因新品种培育等重大战略需求，建立以我国主要农作物重大病害抗病机制为模式的创新研究体系。在研究思路上强调顶层设计与整合，以“一线四点六面”
10、的格局组织项目的实施，即：1 条主线，4 个关键科学问题，6 方面研究内容。在具体研究体系上，针对重要的作物-病害体系包括水稻和麦类病害的新抗病基因和调控基因的克隆与功能机制，并整合与创新模式植物拟南芥的前沿免疫研究体系。在技术路线上广泛采用正向、反向遗传学和表观遗传学，并结合生物信息学、蛋白-蛋白相互作用、蛋白组学、现代生物化学与细胞生物学等研究技术。在目标集成上，剖析作物对重要病原菌的识别机制与应答的信号网络，研究作物广谱与持久抗性尤其是数量性状（QTL）抗性的分子机制，分析与整合作物抗病性与产量性状的互作途径，并紧密结合作物遗传育种，建立作物抗病分子设计的理论、应用基础和共性技术体系。（
11、二）总体技术途径目前组学和复杂性状 的研究方法已贯穿到生物学研究的各个方面，根据总体研究目标和目前学科的发展趋势，本项目将针对农作物与病原微生物相互作用过程中的关键环节，充分利用遗传学和表观遗传、植物病理学、分子生物学、蛋白质相互作用、细胞生物学、生物化学等现代生物学研究手段，将植物-病原菌的功能基因组学、蛋白组学、转录组学和生物信息学等精密结合，以严密的设计和精准的实验分析，解析和阐明植物免疫的细胞、生化与分子过程。因此，本项目将发展和利用以下相互交织的技术平台：1. 充分运用遗传学与基因组学平台，鉴定重要的抗病或免疫调控因子。利用作物抗病资源和大规模突变体筛选，定位克隆重要的抗病基因（包括
12、 QTL）和关键调控基因，分析抗病等位基因的结构与功能差异，并利用植物转化和基因敲除（knockout/knockdown）等验证基因功能；利用蛋白质互作和蛋白组学等技术，鉴定重要的互作蛋白或靶蛋白等；利用表达组学结合基因功能分析，分离鉴定重要的免疫调节基因。2. 建立表观遗传分析技术体系和遗传资源，分析表观遗传机制对植物免疫的调控，鉴定有调控功能的 sRNA 及其靶标基因。3. 利用生物信息分析平台，对大规模植物和病原菌基因组数据库进行序列分析和基因挖掘鉴定重要的免疫/抗病调控因子、 响应因子和路径节点等，分析重要病原的致病性基因簇结构及其寄主靶标，预测抗病蛋白的结构和互作模式，并根据重要的
13、免疫信号转导途径建立基因调控网络。4. 利用激光微切割技术结合基因芯片和生物信息学分析平台，精确分离鉴定细胞特异和侵染早期的寄主响应基因，尤其是对腐生菌(小麦赤霉病)的抗病相关基因，建立防卫反应网络。5. 建立和利用细胞生物学和生物化学平台，包括各种显微观察方法、标记与跟踪技术、免疫共沉淀、体内外生化活性分析等技术，验证重要的植物免疫细胞学过程，分离重要的活性小分子，抗病的激素途径及其与产量性状等的关联。6. 将分子遗传、转基因技术和作物育种学结合，进行抗病分子设计育种，选育广谱抗病水稻和小麦品系，建立分子设计育种的理论与技术体系。遗传学途径 表观遗传途径 生化途径 生物信息途径（注：本设计为
14、技术流程的主要途径，相互之间有交织）作物抗病分子设计的理论与技术体系作物抗病资源,拟南芥突变体基因定位克隆与功能分析植物抗病机制与信号途径抗病育种分子标记与分子设计抗病等位基因和功能分化抗病 TGS 途径, sRNA 表达谱miRNA,RdDM调控 R 基因RNA 沉默与水稻抗病性水稻 sRNA 靶标与抗性途径植物新抗病理论与技术体系蛋白互作,关键基因鉴定致病因子新靶标与功能免疫调控关键节点激素途径和产量性状抗病高产育种基础理论重要数据库分析与发掘腐生菌侵染与表达谱分析重要调控基因鉴定与分析蛋白互作的分子特征与预测重要免疫途径基因调控网络主要农作物重大病害抗病机制为模式的植物免疫创新研究体系（
15、三）创新性与特色植物免疫与作物抗病性研究是国际植物生物学研究的前沿热点领域，研究的问题复杂、涉及的学科范围和技术方法广、学科发展快、国际竞争大。目前我国在这方面的研究与技术体系与欧美等国家相比，还具有很大的的差距。但是，我国在作物应用基础研究以及相关领域人才队伍建设方面具有明显优势。本项目根据学科发展和本国农作物病害的特点，立足于创新、突出研究重点、发挥自身优势，做出跨越式的发展并提升我国在本领域的研究水平和地位。本项目在以下方面具有创新性和特色：1. 新的总体研究思路。围绕国际学科发展趋势，以系统阐明植物包括重要粮食作物的免疫机理为目标，结合我国转基因新品种培育中抗病分子育种这一重大需求。以
16、作物对重要活体寄生（biotroph ）与腐生（ necrotroph）病害的免疫应答及其互作为主线，强调顶层设计与整合；建立以我国主粮作物重大病害抗病机制为模式的创新研究体系。2. 从农业生产和学科发展中提炼关键科学问题，创建特色研究体系。本项目紧密结合学科创新和国家重大需求，以我国重要农作物病害抗性为研究重点，借鉴以拟南芥为主要模式的研究方法与研究成果，提出了 4 个关键科学问题，重点研究作物广谱持久抗性的分子基础；植物抗病性的表观遗传学机制；抗病性与产量性状的关系，及抗病育种分子设计新思路。为此，在相关领域设置了6 个相互交叉的研究课题，并把主要研究方向集中在水稻和麦类抗病分子机理，推动
17、以水稻抗病性为主要模式体系的转换，建立我国特色的植物免疫和作物抗病育种基础理论的前沿领域。3. 新的前瞻性研究部署。国际上植物免疫的研究已经进入更高层次的研究领域。本项目密切结合学科发展动向，前瞻性地部署前沿研究领域，重点包括植物基础免疫与专化性免疫的交互作用（cross-talk） 、表观遗传机制对于植物免疫的调控功能和新的抗病性研究策略、作物广谱持久抗病性的机制等。尤其是植物免疫的表观遗传机制是植物生物学的新兴研究领域，存在若干重要的科学问题亟待阐明。国际上，包括 RdDM 途径的表观遗传学研究主要集中在植物自身的开花发育调控和非生物胁迫应答。抗病 RNA 沉默 的研究也主要集中在拟南芥和
18、烟草上。表观遗传机制应答生物胁迫和作物的抗病沉默机制的研究的报导寥寥无几。以植物免疫的表观遗传机制为主线，从模式植物到我国主要粮食作物，结合项目各课题组已建立起来、各具特色的实验体系和工作平台，拓展表观遗传机制调控抗病（病毒、细菌和真菌）应答研究领域。本项目对植物免疫的表观遗传机制的创新研究，将为农作物抗病从理论和应用实践上开辟新的研究体系。4. 利用和创制特色研究材料。为实现项目目标，本项目将广泛收集和创制新型的研究材料，如作物广谱抗病和 QTL 遗传资源、抗腐生病害遗传资源、抗病基因抑制（suppressor ）突变体。并以已经定位克隆的、有自主知识产权的一批重要广谱抗病基因如 xa13、
19、 Xa30， Pigm、 Pid-2、 ROD1、 OsNPR1、 等为研究的重要出发点，紧密结合作物遗传育种，建立作物抗病分子设计的理论、应用基础和共性技术体系。5. 新的技术路线集成。本项目广泛采用 组学和复杂性状的研究方法，利用正向、反向遗传学和表观遗传学，并结合生物信息学、蛋白组学、现代生物化学等研究技术，系统剖析作物对重要病原菌的识别机制与应答的信号网络，并整合作物抗病性与产量性状的互作途径，创建抗病分子设计育种体系。尤其将开展水稻抗瘟性复等位基因的簇内重组，创造新的广谱抗病基因位点，在抗病遗传理论与育种实践上都是一个有重大创新意义的课题。6. 新的目标视野。本项目除了要在植物免疫学
20、科领域上创立我国的高水平前沿研究优势，取得系统性的研究成果，同时也要在作物广谱持久抗性尤其是数量性状（QTL ）抗性的分子机制、腐生菌（如纹枯病）的抗病基因资源、作物抗病育种的分子设计理论与实践等方面建立国际领先的研究体系与技术平台。创新性研究成果（如水稻广谱抗病性基因）的应用有可能为农作物抵抗类似于水稻纹枯病这样的疑难病害做出重大贡献。从而为推动抗病新策略、新技术的发展提供直接的指导。7. 新的研究队伍建设。依托本项目的实施，将进一步凝练我国在植物免疫和作物抗病分子领域的战略目标，培养一批在专业领域具有高国际显示度的中青年学科带头人，建设具有国际一流水平的创新研究团队。（四）取得重大突破的可行性分析
