科學網—抗病育種新途徑為手中「飯碗」保駕護航

2020-11-30 科學網

 水稻白葉枯病的症狀及其病原菌上海交大供圖

■本報記者 黃辛

第39個世界糧食日前夕，上海交通大學發布的最新研究成果為解決水稻抗病性喪失問題、保障糧食安全與食品安全提供了新的思路。

該校教授陳功友領銜的植物與病原菌分子互作研究團隊通過多年研究，揭示了病原菌效應蛋白這個「間諜」與植物感病基因「接頭人」之間的協同進化關係，並提出利用基因編輯技術阻斷兩者之間的協同進化進程，從而使植物因喪失效應蛋白誘導的感病性（ETS）而獲得廣譜抗病（RLS）的新途徑。該研究成果近日在線發表於《分子植物》。

大量篩選：發現病原菌新「間諜」

由模式生物稻黃單胞菌引起的水稻白葉枯病是水稻三大病害之一，是危害水稻生產的頭號細菌「殺手」。該病在亞洲、拉丁美洲和西非數十個國家的水稻種植區廣泛發生。國內目前除了新疆和東北北部地區以外，其他省市的水稻種植區均有分布。

水稻白葉枯病通常導致水稻減產10~20%，發生嚴重的地區可達50%以上，甚至是絕收。同時，水稻白葉枯病也是植物病理學和植物免疫學領域最重要的模式系統之一，在科學上具有重要研究價值。

「植物病害發生的過程，就是病原菌與植物雙方投入大量『兵力』進行的一場沒有硝煙的戰爭。」論文通訊作者陳功友說，為了抵禦病原菌的入侵，植物通過角質、蠟質等多種生化物質構築起一系列堅固的物理和化學「堡壘」。

而病原菌一方面通過合成胞外降解酶、毒素等物質「明修棧道」，從外部一層層瓦解這些「堡壘」；另一方面還通過組裝多種被稱為分泌系統的裝置「暗度陳倉」，將大量效應蛋白「間諜」直接分泌到植物體「堡壘」內部。這些「間諜」在植物體內部大肆破壞，最終使「堡壘」從內部被「攻破」，植物發生病害。

近20年來，陳功友團隊從全國各水稻產區的發病田塊收集分離到數百個白葉枯病原菌株，在不同的水稻品種上測定了這些菌株的毒性，並進行分子標記分析。他們發現，這些中國菌株具有豐富的遺傳多樣性和毒性差異。研究人員通過基因組學和分子生物學工具，從其中幾個強毒性菌株中分離到數十個TALE蛋白編碼基因並分別測定毒性，最終「識破」了一類被稱為PthXo2-like的新型主效TALE蛋白「間諜」，並且在不同的菌株中發現了這類蛋白的五種類型。

反覆驗證：確定水稻「間諜接頭人」

論文第一作者徐正銀告訴《中國科學報》，水稻白葉枯病菌分泌的TALE蛋白進入植物細胞後，能夠躲過植物免疫系統的偵察，偽裝成水稻自身的轉錄激活因子，與「潛伏」在水稻細胞內的一類感病基因接頭，「暗號」就是雙方特定胺基酸序列與DNA序列之間的一套密碼。一旦對上了暗號，TALE蛋白就能夠識別並結合在感病基因啟動子的相應區域，激活感病基因的表達，從內部「攻破」植物的防線。

研究人員通過對新發現的「間諜」蛋白序列進行比較分析，初步確定水稻感病基因OsSWEET13具有「接頭人」嫌疑。接下來經過不同分子生物學實驗的反覆驗證，最終確定該基因即為該類「間諜」的靶標基因「接頭人」。

同時，對3000份水稻種質資源基因組進行的分析發現，該基因在啟動子識別區域也存在10種不同的類型。徐正銀介紹說，這次發現的不同PthXo2-like類TALE蛋白，作用於感病基因OsSWEET13的不同單倍型，將病原菌與植物的「軍備競賽」認識上升到了一個新的層次。

善用利器：建立抗病育種新途徑

據該論文共同通訊作者、副教授鄒麗芳介紹，通過增強水稻自身防禦體系，培育廣譜持久抗病水稻品種，是一種既經濟又綠色的病害防控措施。

該團隊研究人員根據水稻感病基因「接頭人」OsSWEET與病原細菌TALE蛋白「間諜」之間的關係，採用新興的第三代基因編輯技術（CRISPR/Cas9），對水稻品種Kitaake的3個感病基因的效應蛋白識別位點進行編輯，幹擾「間諜」與「接頭人」相互識別。

由此獲得的水稻新品系廣譜抗白葉枯病，最終開闢了阻斷植物感病性而獲得廣譜抗病性的育種新途徑。

南京農業大學教授竇道龍對此給予高度評價：「該研究在理論上闡明了不通過利用抗病基因而通過編輯多個感病基因從而實現作物的廣譜抗病性，為水稻白葉枯病的防治提供了新的材料和方案，為作物抗病育種和抗性喪失治理提供了成功案例，具有重要理論和實踐意義。」

陳功友表示，團隊目前正在將該技術應用於優良雜交水稻親本的改良，預計1~2年內可育成穩定遺傳的品種。這將大大縮短雜交水稻抗病育種的年限。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.08.006

《中國科學報》 (2019-10-22 第5版 農業科技)

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