近日，中国农科院植保所作物病原生物功能基因组研究创新团队与中国农科作科所、西南大学柑橘所合作在植物学著名期刊《植物生物技术》（Plant Biotechnology Journal）在线发表了题为《Genome editing of a dominant resistance gene for broad-spectrum resistance to bacterial diseases in rice without growth penalty》的研究论文。该研究对水稻内源的缺陷型抗病基因进行人工设计和基因编辑，快速创制对白叶枯病和细菌性条斑病具有稳定、持久、复合、广谱抗性的水稻新种质，为水稻抗病生物育种提供了新策略和方法。
稻黄单胞菌稻致病变种（X.oryzae pv. oryzae, Xoo）引起的白叶枯病（Bacterial blight）和稻生致病变种（X. oryzae pv. oryzicola, Xoc）引起的细菌性条斑病（Bacterial leaf streak）是全球水稻生产中分布最广、危害最严重的两种细菌病害。Xoo和Xoc的主要通过多种外泌效应蛋白（T3SE）来干扰水稻的抗病性和感病性，从而达到侵染寄主的目的。众多T3SE中，转录激活类效应物（TALE）发挥了关键作用，它们能够识别并结合感病基因启动子区的特异元件（EBE），激活感病基因的表达，造成水稻感病。在稻黄单胞菌与水稻互作的长期过程中，水稻的Executor类抗病基因（E）进化出了特异的EBE，可捕获对应的TALE，通过激活E基因的表达来诱导寄主的细胞程序性死亡，最终水稻表现抗病。目前已有Xa7、Xa10、Xa23、Xa27等E基因被克隆，并在水稻抗病育种得到广泛应用。然而，水稻中针对Xoc的E基因尚未发现，能有效抵抗Xoc的种质资源匮乏。
优质稻品种南粳46在我国江苏等地区大面积种植，但该品种对白叶枯和细菌性条斑病只有中等抗性。全基因组测序分析发现，南粳46携带Xa23的等位基因，但启动子区域缺失功能性的EBE序列，不能发挥抗病功能。为了对南粳46进行抗性的快速升级，研究人员设计靶向10个不同来源的Xoo/Xoc的TALE的EBE组合模块；通过基因枪介导的DNA片段Knock-in编辑技术，将220 bp的外源DNA人工设计片段精准插入到南粳46的xa23基因启动子区的TATA box位置，成功创制纯合插入突变体，命名为N46(Xa23R)株系。
该研究发现N46(Xa23R)株系携带的Xa23基因在正常生成环境中表现为基因沉默，不发挥功能；编辑植株生长发育正常，不影响主要经济性状。一旦受到Xoo和Xoc的侵染，便具有识别保守TALE的能力，并激活Xa23的表达。抗性测试结果显示，新种质对中国、日本、菲律宾的20个Xoo标准菌株和中国各水稻种植区新分离的30个流行菌株均表现高抗。接种Xoc标准菌株和28个中国水稻种植区分离的新菌株，N46(Xa23R)也都表现出高抗。这些结果表明：南粳46新株系对白叶枯和细菌性条斑病具有稳定、持久、复合、广谱的抗性。该研究中的EBE人工设计和基因编辑的策略，也可应用于水稻其它E基因的精准改造以及我国其它水稻优良品种的抗性快速升级。
中国农科院植物保护研究所和西南大学联合培养博士生王美霞为第一作者，中国农科院植保所周焕斌研究员、中国农科院作科所纪志远副研究员以及西南大学柑橘研究所周常勇研究员为共同通讯作者，团队多名成员共同合作完成，南京农业大学宋从凤教授、中国农科院植保所周雪平教授、北京农林科学院李少芳研究员、扬州大学左示敏教授也参与了研究工作，该研究得到了中国农科院南繁专项和海南崖州湾种子实验室等项目的支持。
