農(nóng)民通常會(huì)向農(nóng)田噴灑農(nóng)藥，以抵御病毒、細(xì)菌或真菌的侵襲。但農(nóng)藥本身會(huì)存在一定的安全隱患。因此，數(shù)年來(lái)，植物學(xué)家一直在尋找擺脫這些化學(xué)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(guò)，美國(guó)杜克大學(xué)植物生物學(xué)家董欣年團(tuán)隊(duì)為水稻安上了一種“免疫系統(tǒng)開(kāi)關(guān)”。它能在不影響作物產(chǎn)量的前提下，大大增強(qiáng)植物本身的免疫系統(tǒng)，并同時(shí)對(duì)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(jìn)入該領(lǐng)域以來(lái)，人們就在絞盡腦汁尋找如何在需要的時(shí)間和地點(diǎn)激活一個(gè)免疫系統(tǒng)。”英國(guó)塞恩斯伯里實(shí)驗(yàn)室植物防御機(jī)制專(zhuān)家Jonathan Jones說(shuō)，“這個(gè)新研究是我知道的該領(lǐng)域最有希望的成果之一。”
植物的免疫系統(tǒng)與人類(lèi)的免疫系統(tǒng)不同。植物沒(méi)有血液循環(huán)將免疫細(xì)胞送至全身各處以對(duì)抗感染。相反，它們的細(xì)胞表面有著一些受體存在，當(dāng)這些受體檢測(cè)到微生物釋放的信號(hào)分子時(shí)就會(huì)啟動(dòng)免疫反應(yīng)，使植物產(chǎn)生一系列抗微生物的化學(xué)物質(zhì)，以消除感染。
20年來(lái)，董欣年一直致力于研究植物防御“主調(diào)節(jié)器”基因。這個(gè)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(dòng)植物的系統(tǒng)獲得性抵抗（廣譜免疫力），也被稱為植物免疫的“主調(diào)節(jié)者”，并已成為科學(xué)家試圖提高水稻、小麥、蘋(píng)果、番茄等植物免疫系統(tǒng)的廣泛目標(biāo)。
但如果NPR1基因一直處于激活狀態(tài)，植物的生長(zhǎng)就會(huì)受到嚴(yán)重影響。“這會(huì)讓植物長(zhǎng)得很‘慘’，所以在農(nóng)業(yè)上不是很有用。”董欣年說(shuō)。
為了找出原因，研究人員考慮了人類(lèi)免疫系統(tǒng)。在人的免疫系統(tǒng)高度活躍時(shí)，免疫系統(tǒng)過(guò)載，身體就會(huì)出現(xiàn)發(fā)高燒等反應(yīng)，人體的機(jī)能自然會(huì)受到影響。同樣的，當(dāng)植物的免疫系統(tǒng)被過(guò)度激活時(shí)，植物就長(zhǎng)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(gè)更好的開(kāi)關(guān)，使它只有在植物遭受攻擊時(shí)才“打開(kāi)”，并在植物正常生長(zhǎng)時(shí)“關(guān)閉”。董欣年團(tuán)隊(duì)與合作者、中國(guó)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研究人員正是發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用了這一機(jī)制。
在擬南芥研究中，董欣年團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)一種叫做TBF1的免疫激活蛋白質(zhì)會(huì)通過(guò)復(fù)雜過(guò)程迅速激活植物的免疫系統(tǒng)響應(yīng)。但TBF1是如何隨時(shí)開(kāi)啟免疫系統(tǒng)的？秘密可能在于植物在感受到威脅的情況下，會(huì)快速準(zhǔn)備好一種編碼TBF1的信使RNA，并將這些分子快速轉(zhuǎn)譯成TBF1蛋白質(zhì)，然后啟動(dòng)一系列免疫防御機(jī)制。
很快，董欣年意識(shí)到，這段特殊的DNA 序列——“TBF1暗盒”，好像是控制植物免疫系統(tǒng)響應(yīng)的開(kāi)關(guān)。因此，研究人員從擬南芥基因中復(fù)制了“TBF1暗盒”，并將其黏在水稻NPR1基因的前方。
結(jié)果顯示，一旦NPR1基因前有了這個(gè)開(kāi)關(guān)，就能在病原體感染植物時(shí)，大量啟動(dòng) NPR1蛋白的表達(dá)，起到抗病害的作用。而由于它的表達(dá)受病原體入侵的調(diào)控，在植物的正常生長(zhǎng)中，NPR1 并不會(huì)起到負(fù)面效果。
研究人員發(fā)現(xiàn)，表達(dá)這套“可控免疫系統(tǒng)”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(qiáng)。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(gè)葉片，而帶有“可控免疫系統(tǒng)”的水稻，能將病害控制在很小范圍內(nèi)。“這些植物在田里長(zhǎng)得非常好，健康且沒(méi)有受到明顯損害。它們的谷粒數(shù)量和重量都沒(méi)有明顯改變。”董欣年說(shuō)。
未參與該研究的北卡羅萊納大學(xué)教堂山分校植物免疫系統(tǒng)專(zhuān)家Jeff Dangl表示，該研究有朝一日會(huì)成為發(fā)展中國(guó)家農(nóng)民的福祉。例如，水稻瘟病每年會(huì)使全球水稻減產(chǎn)30%。“在發(fā)展中國(guó)家，當(dāng)農(nóng)民無(wú)法負(fù)擔(dān)殺滅真菌藥劑時(shí)，他們可能顆粒無(wú)收。”Dangl說(shuō)。
加州大學(xué)河畔分校植物學(xué)家 Julia Bailey-Serres對(duì)此贊不絕口。她說(shuō)：“我們的計(jì)算表明，這項(xiàng)研究能帶來(lái)重大的影響。這套系統(tǒng)很容易被應(yīng)用到其他作物中，而且能同時(shí)針對(duì)真菌和細(xì)菌兩大病原體。”
盡管這批能抗病的植物還沒(méi)在全球得到大規(guī)模推廣，但Jones希望看到它更廣泛的應(yīng)用。“希望50年后，我的孫子孫女會(huì)不解地問(wèn)我，‘爺爺，以前人們還在用農(nóng)藥控制植物病害嗎？’這就是我們想實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。”Jones說(shuō)。
