基因编辑阻断病菌肆虐 上海交大团队开辟水稻广谱抗病育种新途径


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大米作为老百姓的主食之一,其产量和质量受到疾病的严重影响,进一步危及粮食安全。与此同时,为控制疾病而大量使用化学农药造成了环境污染和农药残留,严重威胁了食品安全。加强水稻自身防御体系,培育广谱、持久抗病的新品种,是一项经济“绿色”的疾病防控措施。上海交通大学陈红友教授领导的植物与病原分子相互作用研究小组,通过多年的研究,揭示了病原效应蛋白(一种“间谍”)与植物病害敏感基因(一种“接头”)之间的共同进化关系。提出利用基因编辑技术阻断两者之间的共同进化过程,从而使植物获得一种新的广谱抗病育种途径,为解决作物抗病力丧失问题、确保食品安全和食品安全提供新思路。目前,研究成果在线发表在细胞出版社拥有的植物科学领域权威期刊《分子植物》(molecular plant)上。

白叶枯病:危害水稻生产的头号细菌“黑仔”

植物病害严重危及粮食生产,每年造成至少10%的世界粮食损失。目前,世界上仍有超过8亿人处于饥饿或半饥饿状态。植物病害无疑加剧了这种粮食短缺状况,并成为全球粮食安全的主要威胁。水稻是世界上最重要的粮食作物之一。世界上大约有35亿人以此为主食。同时,它也是亚洲、非洲和拉丁美洲发展中国家2亿多个家庭的主要收入来源。白叶枯病是三大水稻病害之一,是危害水稻生产的头号细菌“杀手”。这种疾病在亚洲、拉丁美洲和西非几十个国家的水稻种植区非常普遍。目前,我国除新疆和东北北部地区外,其他省市都有水稻种植区。水稻白叶枯病通常导致水稻产量下降10-20%,在严重发生的地区产量超过50%,甚至没有产量。同时,水稻白叶枯病也是植物病理学和植物免疫学中最重要的模型系统之一,具有重要的科学研究价值。

大量筛选,发现了新的“间谍”致病菌

植物病害的过程是一场病原菌和植物之间的无烟战争,双方都投入了大量的“军队”。为了抵御病原菌的入侵,植物通过角质、蜡和其他生化物质建造了一系列坚固的物理和化学“堡垒”。病原菌利用“修栈道藏在幕后”的战争艺术“攻击”这些“堡垒”。一方面,他们通过合成细胞外降解酶、毒素和其他物质来“修复木板路”,并从外面一层一层地摧毁这些“堡垒”。另一方面,他们通过组装各种被称为分泌系统的装置“藏在木板路后面”,将大量效应蛋白“间谍”直接分泌到植物的“堡垒”中。这些“间谍”对植物造成严重破坏,最终从内部“突破”堡垒,导致植物病害。水稻白叶枯病菌最重要的效应蛋白“间谍”。米是iii型分泌系统分泌的转录激活子效应蛋白(tale蛋白)。只有少数具有明显的毒性作用,被称为主要的蛋白质。

陈红友教授的团队在农业部公益产业专项项目和其他项目的支持下,多年来从全国各水稻产区的病田采集了数百株白叶枯病病原菌。测定了这些菌株对不同水稻品种的毒性,并进行了分子标记分析。发现这些中国菌株具有丰富的遗传多样性和毒性差异。通过基因组学和分子生物学工具,从几个高毒株中分离出几十个tale蛋白编码基因,并分别测定了它们的毒性。最后,“发现”了一种被称为pthxo2样“间谍”的新型主要tale蛋白,并在不同菌株中发现了五种这种蛋白。重复验证确定大米“间谍连接器”

进入植物细胞后,水稻白叶枯病菌分泌的tale蛋白“间谍”可以逃避植物免疫系统的检测,伪装成水稻的转录激活剂,并“接触”一种“潜伏”在水稻细胞中的敏感基因“接头”。“接头代码”是特定氨基酸序列和双方dna序列之间的一组代码。一旦“密码”被应用,tale蛋白就能识别并结合疾病基因启动子的相应区域,激活易感基因的表达,并从内部“突破”植物的防线。

通过比较和分析新发现的“间谍”蛋白的序列,研究小组最初确定水稻易感基因ossweet13被怀疑是“接头”。经过不同分子生物学实验的反复验证,最终确定该基因是这种“间谍”的目标基因“接头”。同时,对3000份水稻种质基因组的分析表明,启动子识别区有10种不同类型的基因。因此,证明了病原菌的效应蛋白“间谍”与水稻致病基因的“接头”之间存在“军备竞赛”共同进化关系。善用利器,建立抗病育种新途径,保障粮食安全。

人类通过各种方式参与后,病原菌和植物之间的战争平衡开始向植物和人类倾斜。《孙子兵法》以其军事形式说:“你不能打败自己,但你可以打败敌人。”通过加强水稻自身防御系统培育抗病品种是人类参与这场战争最经济有效的途径。近年来,育种专家对白叶枯病的抗性关注较少,导致育种者对白叶枯病的抗性关注较少,降低了所选品种的抗性。传统的育种技术既费时又费力。培育稳定的遗传抗病品种通常需要8-10年的时间,而且很难利用发现的易感基因。

陈红友的团队,基于水稻病害敏感基因“接头”ossweet与病原菌胞外蛋白“spy”之间的关系,采用了一种新的研究工具——基因编辑技术,干扰了“spy”与“接头”之间“接头编码”的识别,从而同时阻断了多菌胞外蛋白“spy”的破坏活性,最终获得了一种广谱抗白叶枯病的水稻新种质,并提出了一种阻断植物病害敏感和获得广谱抗病性的新育种途径。南京农业大学窦道龙教授对此评论道:“该研究从理论上说明,作物的广谱抗病性可以通过编辑多个易感基因而不是利用抗病基因来实现,这为水稻白叶枯病的防治提供了新的材料和方案,为作物的抗病育种和抗病损失控制提供了成功的案例,具有重要的理论和现实意义。”

据报道,陈红友教授的团队目前正在将这项技术应用于杂交水稻优良亲本的改良。预计在1-2年内可以培育出稳定的遗传品种,这将大大缩短杂交水稻的育种年限。很快,随着这些高产抗病品种在生产中的推广应用,农药的用量将大幅减少,农民生产水稻的经济和劳动成本将大幅降低,普通百姓也将在餐桌上吃到更多优质安全的水稻。

(见新闻knews记者:朱梅实习编辑:艺鹭)

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