黄三文院士团队在《Nature》再发重磅论文，破解百年难题！植物抗病基因也能“即插即用”

马铃薯晚疫病是全球最具破坏力的农作物病害之一，曾引发19世纪著名的“爱尔兰大饥荒”，如今每年仍造成近百亿美元的经济损失，并被我国农业农村部列入《一类农作物病虫害名录》。该病由致病疫霉引起，其基因组高度复杂且变异迅速，导致传统育种中引入的抗病基因往往很快失效，迫切需要挖掘新的抗性资源。然而，常规马铃薯育种长期依赖遗传背景复杂的四倍体品种，使得抗病基因难以有效聚合与利用。

为突破这一瓶颈，中国农业科学院牵头启动“优薯计划”，提出以二倍体替代四倍体、以杂交种子取代块茎繁殖的革命性策略，从根本上重塑马铃薯育种体系，其中晚疫病抗性改良成为关键方向。近期，中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文团队联合南京农业大学董莎萌团队，在《Nature》期刊发表题为“Plug-in Strategy for Resistance Engineering Inspired by Potato NLRome”重要研究成果，提出一种名为“Plug-in”（插件式）的抗病育种新策略，为应对这一全球性挑战提供了全新路径。

研究团队在前期构建马铃薯泛基因组（Nature，2022）和单倍型泛基因组（Nature，2025）的基础上，进一步从头组装了7个高抗晚疫病的野生马铃薯基因组，并整合45个已有基因组数据，首次系统构建了包含39211个NLR类抗病基因的“马铃薯抗病基因组”（NLRome），成为目前植物界最完整、规模最大的抗病基因资源库。通过大规模比较分析，他们发现NLR基因可分为两大类型：Type I基因拷贝数多、变异丰富，主要作为“识别受体”应对快速进化的病原体；Type II基因则相对保守，多作为“辅助受体”参与免疫信号传导。这一发现不仅揭示了抗病基因的演化规律，也为功能预测提供了理论依据。

基于此资源库，团队成功克隆出三个新型抗晚疫病基因：Rpi-brk1携带重金属结合域（HMA），可直接识别病原效应蛋白AVRbrk1；Rpi-cjm1是马铃薯中首个被发现的TIR型NLR基因，具有更广的抗病谱；Rpi-cph1则源自野生种S. cardiophyllum，与已知抗病基因Rpi-amr3同源。尤为突破性的是，研究人员将Rpi-brk1的HMA结构域“嫁接”到已失效的R1蛋白末端，使其重新获得对AVRbrk1的识别能力，实现了抗病谱的拓展。这种“即插即用”的设计思路被命名为“结构域插件”育种策略，未来可通过基因编辑技术，将特定功能模块精准嵌入作物原有抗病基因，快速创制广谱持久抗病品种。

该研究不仅发掘了一批具有我国自主知识产权的抗病新基因，建立了作物抗病基因挖掘的基因组学范式，更开创了一种面向未来的抗病育种新方法。随着基因编辑技术的成熟，“plug-in”策略有望成为应对农作物重大病害、保障全球粮食安全的关键科技工具。未来，科研人员或可根据病原菌效应子的演化趋势，预先设计抗病“插件”，实现对作物抗性的精准定制，为农业可持续发展注入强大动力。