第39个世界粮食日前夕，上海交通大学发布的最新研究成果为解决水稻抗病性丧失问题、保障粮食安全与食品安全提供了新的思路。
该校教授陈功友领衔的植物与病原菌分子互作研究团队通过多年研究，揭示了病原菌效应蛋白这个“间谍”与植物感病基因“接头人”之间的协同进化关系，并提出利用基因编辑技术阻断两者之间的协同进化进程，从而使植物因丧失效应蛋白诱导的感病性（ETS）而获得广谱抗病（RLS）的新途径。该研究成果近日在线发表于《分子植物》。
大量筛选：发现病原菌新“间谍”
由模式生物稻黄单胞菌引起的水稻白叶枯病是水稻三大病害之一，是危害水稻生产的头号细菌“杀手”。该病在亚洲、拉丁美洲和西非数十个国家的水稻种植区广泛发生。国内目前除了新疆和东北北部地区以外，其他省市的水稻种植区均有分布。
水稻白叶枯病通常导致水稻减产10~20%，发生严重的地区可达50%以上，甚至是绝收。同时，水稻白叶枯病也是植物病理学和植物免疫学领域最重要的模式系统之一，在科学上具有重要研究价值。
“植物病害发生的过程，就是病原菌与植物双方投入大量‘兵力’进行的一场没有硝烟的战争。”论文通讯作者陈功友说，为了抵御病原菌的入侵，植物通过角质、蜡质等多种生化物质构筑起一系列坚固的物理和化学“堡垒”。
而病原菌一方面通过合成胞外降解酶、毒素等物质“明修栈道”，从外部一层层瓦解这些“堡垒”；另一方面还通过组装多种被称为分泌系统的装置“暗度陈仓”，将大量效应蛋白“间谍”直接分泌到植物体“堡垒”内部。这些“间谍”在植物体内部大肆破坏，最终使“堡垒”从内部被“攻破”，植物发生病害。
近20年来，陈功友团队从全国各水稻产区的发病田块收集分离到数百个白叶枯病原菌株，在不同的水稻品种上测定了这些菌株的毒性，并进行分子标记分析。他们发现，这些中国菌株具有丰富的遗传多样性和毒性差异。研究人员通过基因组学和分子生物学工具，从其中几个强毒性菌株中分离到数十个TALE蛋白编码基因并分别测定毒性，最终“识破”了一类被称为PthXo2-like的新型主效TALE蛋白“间谍”，并且在不同的菌株中发现了这类蛋白的五种类型。
反复验证：确定水稻“间谍接头人”
论文第一作者徐正银告诉《中国科学报》，水稻白叶枯病菌分泌的TALE蛋白进入植物细胞后，能够躲过植物免疫系统的侦察，伪装成水稻自身的转录激活因子，与“潜伏”在水稻细胞内的一类感病基因接头，“暗号”就是双方特定氨基酸序列与DNA序列之间的一套密码。一旦对上了暗号，TALE蛋白就能够识别并结合在感病基因启动子的相应区域，激活感病基因的表达，从内部“攻破”植物的防线。
研究人员通过对新发现的“间谍”蛋白序列进行比较分析，初步确定水稻感病基因OsSWEET13具有“接头人”嫌疑。接下来经过不同分子生物学实验的反复验证，最终确定该基因即为该类“间谍”的靶标基因“接头人”。
同时，对3000份水稻种质资源基因组进行的分析发现，该基因在启动子识别区域也存在10种不同的类型。徐正银介绍说，这次发现的不同PthXo2-like类TALE蛋白，作用于感病基因OsSWEET13的不同单倍型，将病原菌与植物的“军备竞赛”认识上升到了一个新的层次。
善用利器：建立抗病育种新途径
据该论文共同通讯作者、副教授邹丽芳介绍，通过增强水稻自身防御体系，培育广谱持久抗病水稻品种，是一种既经济又绿色的病害防控措施。
该团队研究人员根据水稻感病基因“接头人”OsSWEET与病原细菌TALE蛋白“间谍”之间的关系，采用新兴的第三代基因编辑技术（CRISPR/Cas9），对水稻品种Kitaake的3个感病基因的效应蛋白识别位点进行编辑，干扰“间谍”与“接头人”相互识别。
由此获得的水稻新品系广谱抗白叶枯病，最终开辟了阻断植物感病性而获得广谱抗病性的育种新途径。
南京农业大学教授窦道龙对此给予高度评价：“该研究在理论上阐明了不通过利用抗病基因而通过编辑多个感病基因从而实现作物的广谱抗病性，为水稻白叶枯病的防治提供了新的材料和方案，为作物抗病育种和抗性丧失治理提供了成功案例，具有重要理论和实践意义。”
陈功友表示，团队目前正在将该技术应用于优良杂交水稻亲本的改良，预计1~2年内可育成稳定遗传的品种。这将大大缩短杂交水稻抗病育种的年限。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.molp.2019.08.006
18926578588