全基因组关联分析解析水稻与褐飞虱的相互作用

Crop-insect pest Interaction occurs at molecular, cellular, individual and population levels. Rice is a model species of crops and brown planthopper (BPH) has become model for agricultural insects. The accumulation of genomic data has enhanced the power to dissect the complex interaction between rice and BPH. The 3000 (3K) Rice Genome Project has resequenced the core collection of 3,000 rice accessions from 89 countries in an average sequencing depth of 14×. In this proposed program, we will evaluate the resistance of the 3K rice accessions to three BPH biotypes in terms of antixenosis, antibiosis and tolerance. Loci associated with BPH-resistance will be identified based on the genome-wide association study (GWAS). The relationship between resistance loci allelotypes and BPH biotypes will be analyzed. The function of candidate genes underlying the resistance loci will be characterized using gene transformation technology. We will further elucidate the molecular and cellular mechanism for rice- BPH interaction in different combinations of rice allelotype and BPH biotype. The results will contribute to development of durable resistant rice variety for sustaining and effective control of BPH pest in rice.

作物与害虫的互作发生在分子、细胞、个体和群体等不同层次。水稻和褐飞虱作为作物和农业害虫的模式物种，越来越丰富的组学数据为二者互作机理解析提供了强有力的手段。本申请项目利用 3种褐飞虱生物型，对基因组重测序的3000份全球水稻核心种质资源（3K水稻资源）进行排趋性、抗生性和耐受性的表型鉴定，发掘一批广谱高抗褐飞虱的水稻种质；应用全基因组关联分析鉴定3K水稻资源中的抗褐飞虱基因和等位变异，并通过转基因互补进行功能验证；分析3K水稻资源中抗褐飞虱基因和等位变异与褐飞虱生物型对应关系，从抗性基因位点和基因组水平上揭示水稻与褐飞虱互作的特点；通过抗褐飞虱基因等位型与褐飞虱生物型间不同组合的研究，阐明水稻与褐飞虱相互作用的分子与细胞机理。本申请项目的研究成果将为阐明作物与害虫的互作机理和共进化机制提供重要实验依据，鉴定出的有重要利用价值的种质和基因将促进我国水稻抗褐飞虱育种健康发展。

褐飞虱Nilaparvata lugens (Stål)是水稻生产中的主要害虫之一，抗虫品种是褐飞虱绿色防控的基础。从水稻种质资源中发掘抗褐飞虱基因，阐明水稻与褐飞虱互作及共进化机理，对于我国水稻抗虫育种，减少农药的使用，发展绿色水稻具有重要意义。.前期研究中我们通过作图定位鉴定了多个水稻抗褐飞虱遗传位点。全基因组关联分析（GWAS）已经应用于作物多种农艺性状基因的发掘，但却很少应用于抗虫基因研究。本项目收集了全球水稻核心种质资源1520份，并系统评价了这些资源对褐飞虱3种生物型的抗性，鉴定出149份高抗褐飞虱的水稻种质；鉴定了64个抗褐飞虱关联位点；研究发现从褐飞虱生物型I，II到生物型III，水稻群体中感虫品种数增多而抗虫品种数逐步减少，表明褐飞虱生物型的致害性逐步提高。而在水稻群体中，随着褐飞虱生物型的变化，抗褐飞虱基因位点的遗传多样性相应提高，显示了平衡选择效应。通过GWAS与QTL定位相结合以及转基因功能验证，克隆了抗褐飞虱基因Bph37。对水稻与褐飞虱分子互作进行了比较深入的研究。.本项目首次将GWAS技术应用于水稻抗褐飞虱的研究，揭示了褐飞虱生物型的致害性逐步增强、水稻则通过积累变异、产生新的抗虫位点来抵抗新发生的褐飞虱生物型，为深入认识植物-害虫共进化机制提供了新视角。在国际学术期刊上发表标注论文10篇，抗褐飞虱基因Bph37获得了中国发明专利授权，项目组的水稻抗褐飞虱基因发掘与利用研究获得了2020年国家技术发明奖二等奖。鉴定得到的高抗褐飞虱3种生物型的优异种质资源、抗褐飞虱基因位点信息以及克隆的抗褐飞虱基因Bph37对于我国抗褐飞虱水稻育种有重要的应用价值。