不同农艺性状之间常常存在一种此消彼长的权衡效应，如高产与抗病性，产量的增加往往会伴随着植物对病原菌抗性减弱，更容易受到病原菌的侵害；同理，一旦植物消耗自身的能量去抵抗病原菌入侵，其生长发育过程便会延缓，最终导致产量降低。正是这种权衡效应使得水稻许多优异性状难以兼得，也使作物育种难以突破瓶颈。目前已有一些基因被报道突破了植物的权衡效应“瓶颈”，例如OsRBL1、OsIPA1等。受体激酶作为植物感知环境信号的重要“交通枢纽”，往往具有多效性，而其在植物权衡效应中所扮演的角色尚不清楚。
近日，湖南大学隆平分院联合生物学院在The Crop Journal在线发表了题为“CRISPR-Cas9-mediated promoter editing of FERONIA-Like receptor 13 increases plant growth and disease resistance in rice”的研究论文，作者通过分析OsFLR13生物学功能，利用CRISPR-Cas9技术对OsFLR13启动子进行编辑，成功创制了新的等位基因（FLR13T5T6-1和FLR13T5T6-2），在提高水稻单株产量的同时增强其对稻瘟病的抗性，并证明通过敲除T5T6片段，可解除转录因子OsGBP1和OsWRKY53对OsFLR13表达的抑制作用。
研究者以日本晴为背景制备了Osflr13和OsFLR13-RNAi材料，大田数据显示Osflr13、OsFLR13-RNAi植株与NIP相比株高分别降低57.1%和7.7%，分蘖增多63.6%和32.2%，其中Osflr13植株不育，OsFLR13-RNAi产量降低36.8%。对OsFLR13-RNAi植株进行稻瘟病接种后发现其病斑长度比NIP长85.7%，易感病表型明显，由此推测OsFLR13基因可能影响水稻的生长发育过程以及抗病性（图1）。通过亚细胞定位发现OsFLR13定位在细胞膜上，随后构建了POsFLR13:GUS载体，并获得了转基因植物，通过GUS染色发现OsFLR13在分蘖处、茎节、叶片和幼根处表达量较高（图2）。对OsFLR13启动子区域进行单倍型分析发现，其表现出明显的粳籼分化，其中OsFLR13在籼稻中的表达量高于粳稻，同时启动子转录活性分析也显示OsFLR13-Ind的活性要高于OsFLR13-Jap（图3）。选择OsFLR13编码序列（CDS）前1500 bp启动子，以敲除关键顺式调控元件为目标进行启动子编辑。大田结果显示，不同敲除区域中的顺式调控元件可能独立或协同地调控OsFLR13的不同农艺性状，其中OsFLR13T5T6在株高、分蘖、单株产量及稻瘟病抗性方面显著高于野生型，因此T5T6区域是编辑OsFLR13获得抗病高产的理想表型的关键候选区域（图4）。通过酵母单杂交筛选到4个已报道的与植物株高和分蘖有关的转录因子进行验证，结果显示，OsWRKY53和OsGBP1结合在T5T6区域并抑制OsFLR13表达，当T5T6片段缺失时，抑制作用也随之解除。因此，T5T6区域缺失所导致的水稻表型可能是多个转录因子协同作用的结果（图5）。综上所述，研究者通过OsFLR13启动子编辑策略促进水稻生长并提高其稻瘟病抗性，为作物育种提供了新的思路。
作者和基金项目
湖南大学隆平分院在读博士研究生郭亚楠与生物学院已毕业硕士研究生齐胤尧为该文共同第一作者，湖南大学隆平分院王立峰研究员、生物学院汪龙副教授与隆平分院赵正洪研究员为共同通信作者，湖南大学生物学院于峰教授和湖南杂交水稻研究中心邢俊杰研究员也参与了相关工作。该研究得到国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目和国家重点研发计划项目的资助。
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