Nature | 基因组所和南京农大发明抗病基因Plug-in新技术

马铃薯晚疫病是全球重大农作物病害之一，也是被农业农村部列入我国《一类农作物病虫害名录》的8个重大病害之一，其爆发曾造成史上著名的“爱尔兰大饥荒”，每年造成近百亿美元损失（Nature, 2023）。由于病原菌致病疫霉的基因组结构复杂，变异迅速，目前农业育种中使用的抗病基因快速失去功能，亟待进一步挖掘新的晚疫病抗性基因资源。传统马铃薯育种依赖四倍体品种，遗传背景复杂，抗病基因难以有效聚合。为解决这一难题，中国农科院联合国内外优势单位发起了“优薯计划”，提出以二倍体替代四倍体、以杂交种子替代薯块的策略，从根本上变革马铃薯的育种和繁殖方式，而晚疫病抗病育种是“优薯计划”的重要研究方向。

北京时间2025年10月30日零时，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）黄三文团队与南京农业大学植物保护学院/农林生物安全全国重点实验室董莎萌团队合作，在《自然（Nature）》期刊发表了题为“Plug-in Strategy for Resistance Engineering Inspired by Potato NLRome”的研究论文，为解决这一全球性难题提供了一个新方案。该研究构建了马铃薯抗病基因资源库，揭示了识别和辅助两类抗病基因在序列和功能上的分化特征，并阐明了它们与具有不同进化潜力的病原菌之间的协同演化规律。利用比较和演化基因组学，研究团队挖掘出三个新抗晚疫病基因，并在对其抗病机理的深入解析基础上提出了“Plug-in（插件式）”抗病育种新策略，为培育持久抗病的马铃薯品种开辟了全新路径。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09678-5

构建马铃薯抗病基因库，揭示两大类型基因进化特征

团队此前构建的马铃薯泛基因组（Nature，2022）和单倍型泛基因组（Nature，2025）尚未涵盖高抗晚疫病的种质材料。为此，研究团队从头组装了7个高抗晚疫病的野生马铃薯基因组，并结合45个已发表的基因组数据，构建了包含39211个核苷酸结合的富亮氨酸重复免疫受体（NLR）类抗病基因的“马铃薯抗病基因组”（NLRome，图1），充分代表了野生和栽培马铃薯广泛的多样性。这是目前植物界最完整、规模最大的抗病基因资源库。通过对NLRome的大规模比较分析，研究团队发现NLR基因可分为Type I和Type II两大类。Type I基因拷贝数多、变异丰富，作为“识别受体”甄别卵菌、线虫和病毒等快速进化的病原体；Type II基因则相对保守、拷贝数少，常作为“辅助受体”参与免疫信号传导。该研究系统揭示了NLR进化与功能的关系，也为抗病基因功能预测提供了演化依据。

图1 | 马铃薯NLRome中Type I和Type II两类抗病基因的演化特征

克隆三个抗病新基因，拓宽抗晚疫病资源

依托上述基因组资源，研究团队利用比较和演化基因组学方法，成功克隆了三个新型马铃薯抗晚疫病基因。

Rpi-brk1：通过对马铃薯NLRome中非典型结构域（ID）的进化分析，团队发现HMA结构域在NLR中快速进化，并鉴定到一个携带重金属结合域（HMA）的NLR基因，可直接识别效应蛋白AVRbrk1，其抗病作用依赖HMA结构域与病原菌效应子的直接互作。Rpi-cjm1：首个在马铃薯中发现的TIR型NLR抗晚疫病基因，能够识别多种AVRblb2家族效应蛋白，抗病谱宽于已知的Rpi-blb2抗病基因。Rpi-cph1：首次在野生马铃薯S. cardiophyllum中发现，与光果龙葵中已报道的Rpi-amr3同源。这些抗病新基因为通过抗晚疫病育种提供了新的基因资源。

发明“插件式”模块，创新抗病改良策略

更为令人振奋的是，研究团队发现将Rpi-brk1的HMA结构域“嫁接”到已失效的抗晚疫病蛋白R1的末端后，可使原本仅识别AVR1的R1同时识别AVRbrk1，从而拓展了抗病谱（图2）。这种“即插即用”的基因设计思路为快速培育广谱抗病品种提供了全新思路。研究团队将其命名为“结构域插件”（plug-in）育种策略。研究表明，将R1的LRR结构域末端添加Rpi-brk1的HMA结构域，能使R1获得对AVRbrk1的识别能力。这一策略后续可通过基因编辑手段，将特定功能域精准嵌入作物原有抗病基因，实现广谱抗性的创制。

图2 | “Plug-in”抗病育种策略提高马铃薯晚疫病抗性

该研究不仅挖掘出一批我国自主知识产权的抗晚疫病新基因，为作物抗病基因挖掘建立了基因组学范例，更提出了 “plug-in” 这一种创新的抗病育种策略。随着基因编辑技术的不断发展，“plug-in”策略有望成为作物抗病育种的重要工具之一，为应对农作物重大病害、保障全球粮食安全提供强有力的科技支撑。未来，科研人员或许只需根据病原菌效应子的变异趋势，提前设计抗病“插件”模块，便可设计出持久抗病的作物品种，为农作物抗病育种与基因改良提供新思路和新范式。

基因组所（大鹏湾实验室）黄三文研究员与南京农业大学植物保护学院董莎萌教授为共同通讯作者。基因组所（大鹏湾实验室）副研究员王路遥（原中国农科院与南京农业大学联合培养博士后）、已毕业博士李宏博（现单位山东农业大学园艺学院）、南京农业大学植物保护学院在读博士生柯宇航为论文共同第一作者。中国科学院分子植物科学卓越创新中心万里研究员、基因组所（大鹏湾实验室）周绍群研究员、美国加州大学Davis分校Dinesh-Kumar教授为本研究作出了重要指导。南京农业大学食品科技学院朱萍副教授、基因组所（大鹏湾实验室）博士后李玉营、已出站博士后王培（现工作单位云南农科院），南京农业大学刘好好、李亚洁，中国科学院分子植物科学卓越创新中心陈京祺参与了此研究。该研究得到了国家自然科学基金卓越研究群体、重点项目、广东省基础与应用基础研究重点项目和山东省“泰山学者”等项目资助。