第39個世界糧食日前夕，上海交通大學發(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(xié)同進化關系，并提出利用基因編輯技術阻斷兩者之間的協(xié)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?。≧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)的頭號細菌“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致水稻減產(chǎn)10~20%，發(fā)生嚴重的地區(qū)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(tǒng)之一，在科學上具有重要研究價值。
“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)構筑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(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，陳功友團隊從全國各水稻產(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，并進行分子標記分析。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和分子生物學工具，從其中幾個強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”在水稻細胞內(nèi)的一類感病基因接頭，“暗號”就是雙方特定氨基酸序列與DNA序列之間的一套密碼。一旦對上了暗號，TALE蛋白就能夠識別并結(jié)合在感病基因啟動子的相應區(qū)域，激活感病基因的表達，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)過不同分子生物學實驗的反復驗證，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(zhì)資源基因組進行的分析發(fā)現(xiàn)，該基因在啟動子識別區(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(jù)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御體系，培育廣譜持久抗病水稻品種，是一種既經(jīng)濟又綠色的病害防控措施。
該團隊研究人員根據(jù)水稻感病基因“接頭人”OsSWEET與病原細菌TALE蛋白“間諜”之間的關系，采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，干擾“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(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。”
陳功友表示，團隊目前正在將該技術應用于優(yōu)良雜交水稻親本的改良，預計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。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.08.006
