農民通常會向農田噴灑農藥，以抵御病毒、細菌或真菌的侵襲。但農藥本身會存在一定的安全隱患。因此，數年來，植物學家一直在尋找擺脫這些化學品，讓植物能自然抗病害的方法。
但迄今為止，大部分成果僅能抵御單一疾病。不過，美國杜克大學植物生物學家董欣年團隊為水稻安上了一種“免疫系統開關”。它能在不影響作物產量的前提下，大大增強植物本身的免疫系統，并同時對抗多種病原體。研究人員近日在《自然》上連續(xù)在線發(fā)表了兩篇論文。
“自從我進入該領域以來，人們就在絞盡腦汁尋找如何在需要的時間和地點激活一個免疫系統。”英國塞恩斯伯里實驗室植物防御機制專家Jonathan Jones說，“這個新研究是我知道的該領域最有希望的成果之一。”
植物的免疫系統與人類的免疫系統不同。植物沒有血液循環(huán)將免疫細胞送至全身各處以對抗感染。相反，它們的細胞表面有著一些受體存在，當這些受體檢測到微生物釋放的信號分子時就會啟動免疫反應，使植物產生一系列抗微生物的化學物質，以消除感染。
20年來，董欣年一直致力于研究植物防御“主調節(jié)器”基因。這個基因名為NPR1，在模式植物擬南芥研究中十分普遍。由于它能啟動植物的系統獲得性抵抗（廣譜免疫力），也被稱為植物免疫的“主調節(jié)者”，并已成為科學家試圖提高水稻、小麥、蘋果、番茄等植物免疫系統的廣泛目標。
但如果NPR1基因一直處于激活狀態(tài)，植物的生長就會受到嚴重影響。“這會讓植物長得很‘慘’，所以在農業(yè)上不是很有用。”董欣年說。
為了找出原因，研究人員考慮了人類免疫系統。在人的免疫系統高度活躍時，免疫系統過載，身體就會出現發(fā)高燒等反應，人體的機能自然會受到影響。同樣的，當植物的免疫系統被過度激活時，植物就長不好。
于是，為了能讓 NPR1發(fā)揮作用，研究人員需要給它裝上一個更好的開關，使它只有在植物遭受攻擊時才“打開”，并在植物正常生長時“關閉”。董欣年團隊與合作者、中國華中農業(yè)大學研究人員正是發(fā)現和應用了這一機制。
在擬南芥研究中，董欣年團隊發(fā)現一種叫做TBF1的免疫激活蛋白質會通過復雜過程迅速激活植物的免疫系統響應。但TBF1是如何隨時開啟免疫系統的？秘密可能在于植物在感受到威脅的情況下，會快速準備好一種編碼TBF1的信使RNA，并將這些分子快速轉譯成TBF1蛋白質，然后啟動一系列免疫防御機制。
很快，董欣年意識到，這段特殊的DNA 序列——“TBF1暗盒”，好像是控制植物免疫系統響應的開關。因此，研究人員從擬南芥基因中復制了“TBF1暗盒”，并將其黏在水稻NPR1基因的前方。
結果顯示，一旦NPR1基因前有了這個開關，就能在病原體感染植物時，大量啟動 NPR1蛋白的表達，起到抗病害的作用。而由于它的表達受病原體入侵的調控，在植物的正常生長中，NPR1 并不會起到負面效果。
研究人員發(fā)現，表達這套“可控免疫系統”的水稻，其抗稻瘟病和真菌性疾病的能力比野生型水稻更強。在野生型水稻里，水稻白葉枯菌和葉條斑病等入侵者能感染整個葉片，而帶有“可控免疫系統”的水稻，能將病害控制在很小范圍內。“這些植物在田里長得非常好，健康且沒有受到明顯損害。它們的谷粒數量和重量都沒有明顯改變。”董欣年說。
未參與該研究的北卡羅萊納大學教堂山分校植物免疫系統專家Jeff Dangl表示，該研究有朝一日會成為發(fā)展中國家農民的福祉。例如，水稻瘟病每年會使全球水稻減產30%。“在發(fā)展中國家，當農民無法負擔殺滅真菌藥劑時，他們可能顆粒無收。”Dangl說。
加州大學河畔分校植物學家 Julia Bailey-Serres對此贊不絕口。她說：“我們的計算表明，這項研究能帶來重大的影響。這套系統很容易被應用到其他作物中，而且能同時針對真菌和細菌兩大病原體。”
盡管這批能抗病的植物還沒在全球得到大規(guī)模推廣，但Jones希望看到它更廣泛的應用。“希望50年后，我的孫子孫女會不解地問我，‘爺爺，以前人們還在用農藥控制植物病害嗎？’這就是我們想實現的目標。”Jones說。
