Current Biology | 基因组所周绍群团队利用植物湿度响应“分子开关”实现马铃薯抗病与产量平衡

2026年9月14日，中国农科院基因组所（大鹏湾实验室）周绍群团队在《当代生物学（Current Biology）》上在线发表题为“Balancing growth and immunity of potato by humidity-dependent expression of a late blight resistance gene”的研究论文。该研究鉴定了一类能感知空气湿度的基因表达“分子开关”，以此为基础构建了湿度诱导型启动子来驱动抗晚疫病基因的表达，在实现高效抗病性潜力的同时，避免了传统“全天候”过表达策略所导致的生长抑制和产量损失。该研究为作物抗病育种提供了“环境响应型”抗病基因应用新策略，为兼顾作物抗病性与产量提供了新思路。

“疾病三角”是植物病理学研究中的经典理论。这一理论将植物疾病的发生与流行归因于寄主植物、病原体、环境条件三方相互作用的结果。在这一理论框架中，当寄主植物高度易感且病原体来源广泛时，环境条件是否适宜发病就成为了决定植物疾病发生流行的关键因素。高湿环境是促使众多作物病害爆发的环境因素之一。以番茄马铃薯晚疫病为例，早在20世纪40年代，种植者就发现高湿环境会促进这一植物病害的发生。这种环境因素与疾病发生之间的强偶联关系可能为晚疫病这一重大植物病害的防治提供创新解决方案。

团队首先以番茄为模式植物，对高湿度处理后的叶片组织进行了转录组与染色质可及性测序分析。结合基因表达模式与染色质可及性信号，筛选出了一批位于湿度诱导表达基因转录起始位点上游且自身染色质开放性在湿度处理后显著增强的候选湿度激活元件（SlHAE）。在此基础上，团队利用双荧光素酶实验体系验证了其中4个候选SlHAE确实可以作为湿度响应分子开关，增强下游报告基因在高湿条件下的表达。

图1 | 番茄湿度激活元件（SlHAE）的跨组学筛选和实验验证

跨物种序列检索显示，接近90%的SlHAE能够在马铃薯中找到相似序列，而这一比例随着物种与番茄的系统发育距离增大而快速降低。在马铃薯叶片中，团队通过湿度处理转录组分析发现约31%的SlHAE同源序列的下游基因在高湿条件下表达量显著上升，提示这些同源序列可能具有保守的湿度响应功能。基于这一假说，团队对上述4个经功能验证的SlHAE的3个马铃薯同源序列进行了双荧光素酶活性检测。实验结果表明这些同源序列确实具有保守的湿度响应功能，是马铃薯中的湿度激活元件（StHAE）。

图2 | 番茄湿度激活元件（SlHAE）在马铃薯中的同源序列（StHAE）也具有湿度激活功能

基于上述研究发现，团队以其中一个StHAE为基础，融合经典的CaMV 35S核心启动子（mini35S），构建了人工设计湿度诱导型启动子驱动抗晚疫病基因表达的植物表达载体，并以马铃薯商品种为遗传背景创制了3个独立的抗病基因湿度诱导表达株系（HIE）。对这些HIE株系中抗病基因的表达测试表明其中的外源抗病基因在常规湿度下保持“沉默”，而当空气湿度超过90%并持续24小时后显著上调，在个别植株中表达量可达到利用CaMV 35S强启动子过表达（OE）株系中的水平。

图3 | 马铃薯抗病基因湿度诱导表达株系（HIE）的创建和表征

团队进而对HIE和OE转基因株系的晚疫病抗性和生长表型进行评估。离体叶接菌与活体植株接菌实验均表明，HIE株系与OE株系的抗病能力均显著高于野生型亲本材料（WT）。在活体植物接菌实验中，HIE株系展现出与OE株系相当的抗病能力。

图4 | 致病疫霉接种实验：抗病基因湿度诱导表达株系（HIE）与过表达株系（OE）均表现出显著强于野生型（WT）的抗病性

在多年温室种植试验中，OE株系相较于野生型亲本材料表现出明显的植株矮化和块茎减产，而HIE株系则未表现出这些负面表型。

图5 | 温室种植表型：过表达株系（OE）矮小、块茎减产，湿度诱导表达植株（HIE）与野生型（WT）一样健壮、产量不受影响

基因组所（大鹏湾实验室）周绍群研究员为论文通讯作者，基因组所（大鹏湾实验室）博士后余胜、博士后王彦涛（现任职于崖州湾国家实验室）、博士后王志清为论文共同第一作者。基因组所（大鹏湾实验室）黄三文研究员、刘毓文研究员，中国热带农业科学院热带生物技术研究所吕培涛研究员，南京农业大学董莎萌教授，广东省农业科学院蔬菜研究所李涛研究员等合作者为该项目提供了重要理论指导与技术支持。该研究得到中国农业科学院科技创新工程基础科学研究中心、广东省基础与应用基础研究重大项目、广东省科技计划项目等项目资助。

原文链接：https://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(26)01099-7