陳功友教授（右）在田間查看白葉枯病病情
廣譜持久抗病水稻新品系與對照水稻
上海交通大學(xué)教授陳功友領(lǐng)銜的植物與病原菌分子互作研究團(tuán)隊通過近20年研究，揭示了病原菌效應(yīng)蛋白這個“間諜”與植物感病基因“接頭人”之間的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系，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，從而使植物獲得廣譜抗病（RLS）的育種新途徑，為解決作物抗病性喪失問題，保障糧食安全與食品安全提供了新的思路。該研究成果近日在線發(fā)表于《分子植物》。
水稻白葉枯病是三大水稻病害之一，是危害水稻生產(chǎn)的頭號細(xì)菌“殺手”。該病在亞洲、拉丁美洲和西非數(shù)十個國家的水稻種植區(qū)廣泛發(fā)生，國內(nèi)目前除了新疆和東北的北部地區(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)上具有重要研究價值。
大量篩選，發(fā)現(xiàn)病原細(xì)菌新“間諜”
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。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)筑起一系列堅固的物理和化學(xué)“堡壘”。病原菌運用“明修棧道，暗渡陳倉”的兵法來“攻擊”這些“堡壘”，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”，另一方面卻通過組裝多種被稱為分泌系統(tǒng)的裝置“暗渡陳倉”，將大量的效應(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。水稻白葉枯病菌派出的最重要的一類效應(yīng)蛋白“間諜”是III型分泌系統(tǒng)分泌的轉(zhuǎn)錄激活因子類效應(yīng)蛋白（TALE蛋白），其中只有少數(shù)幾個毒性作用明顯，稱為主效TALE蛋白。
陳功友團(tuán)隊多年來從全國各水稻產(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，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。通過基因組學(xué)和分子生物學(xué)工具，從其中幾個強(qiáng)毒性菌株中分離到數(shù)十個TALE蛋白編碼基因并分別測定毒性，最終“識破”了一類被稱為PthXo2-like的新型主效TALE蛋白“間諜”，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)驗證，確定水稻“間諜接頭人”
水稻白葉枯病菌分泌的TALE蛋白“間諜”進(jìn)入植物細(xì)胞后，能夠躲過植物免疫系統(tǒng)的偵查，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“接頭人”進(jìn)行“聯(lián)絡(luò)”，“接頭暗號”是雙方特定氨基酸序列與DNA序列之間的一套密碼。一旦“對上了暗號”，TALE蛋白就能夠識別并結(jié)合在病基因啟動子的相應(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)實驗的反復(fù)驗證，最終確定該基因即為該類“間諜”的靶標(biāo)基因“接頭人”。同時，對3000份水稻種質(zhì)資源基因組進(jìn)行的分析發(fā)現(xiàn)，該基因在啟動子識別區(qū)域也存在十種不同的類型。從而證明病原菌的效應(yīng)蛋白“間諜”與水稻感病基因“接頭人”之間呈現(xiàn)出一種“軍備競賽”的協(xié)同進(jìn)化關(guān)系。
善用利器，建立抗病育種新途徑
陳功友團(tuán)隊根據(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，采用新興的基因編輯技術(shù)這一研究利器，干擾“間諜”與“接頭人”之間“接頭暗號”的識別，從而同時阻斷多個細(xì)菌TALE蛋白“間諜”的破壞活動，最終獲得了廣譜抗白葉枯病的水稻新種質(zhì)，提出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)竇道龍教授對此評價道：“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(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，具有重要理論和實踐意義。”
據(jù)悉，陳功友團(tuán)隊目前正在將該技術(shù)應(yīng)用于優(yōu)良雜交水稻親本的改良中，預(yù)計一兩年內(nèi)可育成穩(wěn)定遺傳的品種，這將大大縮短雜交水稻育種年限。不久，隨著這些高產(chǎn)又抗病的品種在生產(chǎn)上的推廣應(yīng)用，農(nóng)藥的用量將急劇減少，農(nóng)民生產(chǎn)水稻的經(jīng)濟(jì)和人力成本將大大降低，而老百姓將也在餐桌上吃到更加優(yōu)質(zhì)安全的大米。
