第39個(gè)世界糧食日前夕，上海交通大學(xué)發(fā)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(lǐng)銜的植物與病原菌分子互作研究團(tuán)隊(duì)通過多年研究，揭示了病原菌效應(yīng)蛋白這個(gè)“間諜”與植物感病基因“接頭人”之間的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系，并提出利用基因編輯技術(shù)阻斷兩者之間的協(xié)同進(jìn)化進(jìn)程，從而使植物因喪失效應(yīng)蛋白誘導(dǎo)的感病性（ETS）而獲得廣譜抗?。≧LS）的新途徑。該研究成果近日在線發(fā)表于《分子植物》。
大量篩選：發(fā)現(xiàn)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(chǎn)的頭號(hào)細(xì)菌“殺手”。該病在亞洲、拉丁美洲和西非數(shù)十個(gè)國家的水稻種植區(qū)廣泛發(fā)生。國內(nèi)目前除了新疆和東北北部地區(qū)以外，其他省市的水稻種植區(qū)均有分布。
水稻白葉枯病通常導(dǎo)致水稻減產(chǎn)10~20%，發(fā)生嚴(yán)重的地區(qū)可達(dá)50%以上，甚至是絕收。同時(shí)，水稻白葉枯病也是植物病理學(xué)和植物免疫學(xué)領(lǐng)域最重要的模式系統(tǒng)之一，在科學(xué)上具有重要研究價(jià)值。
“植物病害發(fā)生的過程，就是病原菌與植物雙方投入大量‘兵力’進(jìn)行的一場沒有硝煙的戰(zhàn)爭。”論文通訊作者陳功友說，為了抵御病原菌的入侵，植物通過角質(zhì)、蠟質(zhì)等多種生化物質(zhì)構(gòu)筑起一系列堅(jiān)固的物理和化學(xué)“堡壘”。
而病原菌一方面通過合成胞外降解酶、毒素等物質(zhì)“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(tǒng)的裝置“暗度陳倉”，將大量效應(yīng)蛋白“間諜”直接分泌到植物體“堡壘”內(nèi)部。這些“間諜”在植物體內(nèi)部大肆破壞，最終使“堡壘”從內(nèi)部被“攻破”，植物發(fā)生病害。
近20年來，陳功友團(tuán)隊(duì)從全國各水稻產(chǎn)區(qū)的發(fā)病田塊收集分離到數(shù)百個(gè)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，并進(jìn)行分子標(biāo)記分析。他們發(fā)現(xiàn)，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(xué)和分子生物學(xué)工具，從其中幾個(gè)強(qiáng)毒性菌株中分離到數(shù)十個(gè)TALE蛋白編碼基因并分別測定毒性，最終“識(shí)破”了一類被稱為PthXo2-like的新型主效TALE蛋白“間諜”，并且在不同的菌株中發(fā)現(xiàn)了這類蛋白的五種類型。
反復(fù)驗(yàn)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(xué)報(bào)》，水稻白葉枯病菌分泌的TALE蛋白進(jìn)入植物細(xì)胞后，能夠躲過植物免疫系統(tǒng)的偵察，偽裝成水稻自身的轉(zhuǎn)錄激活因子，與“潛伏”在水稻細(xì)胞內(nèi)的一類感病基因接頭，“暗號(hào)”就是雙方特定氨基酸序列與DNA序列之間的一套密碼。一旦對(duì)上了暗號(hào)，TALE蛋白就能夠識(shí)別并結(jié)合在感病基因啟動(dòng)子的相應(yīng)區(qū)域，激活感病基因的表達(dá)，從內(nèi)部“攻破”植物的防線。
研究人員通過對(duì)新發(fā)現(xiàn)的“間諜”蛋白序列進(jìn)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(jīng)過不同分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的反復(fù)驗(yàn)證，最終確定該基因即為該類“間諜”的靶標(biāo)基因“接頭人”。
同時(shí)，對(duì)3000份水稻種質(zhì)資源基因組進(jìn)行的分析發(fā)現(xiàn)，該基因在啟動(dòng)子識(shí)別區(qū)域也存在10種不同的類型。徐正銀介紹說，這次發(fā)現(xiàn)的不同PthXo2-like類TALE蛋白，作用于感病基因OsSWEET13的不同單倍型，將病原菌與植物的“軍備競賽”認(rèn)識(shí)上升到了一個(gè)新的層次。
善用利器：建立抗病育種新途徑
據(jù)該論文共同通訊作者、副教授鄒麗芳介紹，通過增強(qiáng)水稻自身防御體系，培育廣譜持久抗病水稻品種，是一種既經(jīng)濟(jì)又綠色的病害防控措施。
該團(tuán)隊(duì)研究人員根據(jù)水稻感病基因“接頭人”OsSWEET與病原細(xì)菌TALE蛋白“間諜”之間的關(guān)系，采用新興的第三代基因編輯技術(shù)（CRISPR/Cas9），對(duì)水稻品種Kitaake的3個(gè)感病基因的效應(yīng)蛋白識(shí)別位點(diǎn)進(jìn)行編輯，干擾“間諜”與“接頭人”相互識(shí)別。
由此獲得的水稻新品系廣譜抗白葉枯病，最終開辟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(nóng)業(yè)大學(xué)教授竇道龍對(duì)此給予高度評(píng)價(jià)：“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(gè)感病基因從而實(shí)現(xiàn)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(shí)踐意義。”
陳功友表示，團(tuán)隊(duì)目前正在將該技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)良雜交水稻親本的改良，預(yù)計(jì)1~2年內(nèi)可育成穩(wěn)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(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.08.006
