▲条锈菌效应蛋白Pst_12806调控寄主植物免疫的模式图。
▲瞬时沉默该基因，条锈菌生长发育受到影响。
小麦是人们经常摄入的食物。小麦植株的健康与否直接关系着我们每个人的身体健康，更关系着国家粮食安全。
条锈病、赤霉病以及白粉病是小麦的三大主要病害，严重威胁我国小麦生产以及国家粮食安全。其中，条锈病是小麦生产中危害最严重的病害之一。
“30余年来，西北农林科技大学植物保护学院植物免疫研究团队一代代植物医生围绕如何防治小麦条锈病展开了不懈的研究，只为国人吃到健康优质的小麦。”西北农林科技大学植物保护学院教授、植物与病原菌互作方向负责人王晓杰在接受《中国科学报》采访时表示。
近日，该团队在《自然—通讯》杂志上发表了题为《条锈菌效应蛋白靶定叶绿体抑制叶绿体功能》的研究论文。
小麦条锈病的无穷危害
条锈病是一种真菌病，俗称“黄疸病”，表现为麦苗上长出黄色锈孢子堆。条锈菌在小麦体内大量繁殖，依赖于小麦提供营养物质，导致小麦自身营养不良，难以正常生长发育，从而使小麦减产甚至绝收。
解放后，条锈病在我国先后发生四次大流行，共损失小麦120亿公斤。其中1950年单年损失达60亿公斤，让中国小麦夏收绝产，相当于1700万人一年的口粮；2002年的一次全国流行，损失产量10亿公斤。
小麦条锈病的元凶是条锈菌，条锈菌的繁殖体夏孢子可随高空气流远距离传播，并且反复感染小麦，具有暴发性和大区流行的特点。因此，这种病害分布面积广、危害大，一般情况下可使小麦减产10%~30%，严重时甚至颗粒无收。
陕西是小麦条锈菌由西向东传播的重要“桥梁地带”，也是小麦条锈病重要的越冬区（关中、渭北麦区）和冬繁区（陕南麦区），秋苗上的小麦条锈病发生情况对来年小麦条锈病是否流行起着至关重要的作用。
“条锈菌频繁变异导致小麦品种抗性不断‘丧失’是病害频繁暴发流行的根本原因，也是小麦条锈病防控中的长期国际性难题。因此，揭示病原菌致病性变异的基础，对制定条锈病持续有效防控策略具有重要意义。”王晓杰表示。
发现新大陆
“小麦条锈菌为活体营养专性寄生真菌，必须依附在活体小麦之上才能存活，因此不能在体外人工培养。且条锈菌缺乏稳定遗传转化体系，难以通过遗传学方法研究病菌的致病机理。小麦生长周期长，又是异源六倍体，遗传背景相当复杂，这无疑加大了小麦基础研究的难度。同时，将这两种复杂的研究对象结合起来对我们来说也是很大的挑战。”王晓杰介绍。
在这样的客观条件下，条锈病的科研实验是一个漫长的过程，科研工作者需要更多的耐心与韧劲。条锈菌变异快，大规模单一种植往往导致在3~5年内抗病品种“丧失”对条锈病的抗性，而抗病品种的繁育需要8~10年甚至更长，因此，加快解析条锈菌致病及变异机制迫在眉睫。
为此，该团队率先在国际上完成了条锈菌基因组测序，揭示了条锈菌活体营养寄生的基因组特征，并发现其中含有2000多个候选效应子（effectors）。效应子作为一类非常重要的毒性蛋白，是植物病原菌致病的重要武器，也是攻击植物免疫系统的重要因子。
王晓杰团队博士生许强告诉《中国科学报》，科学研究不是一朝一夕、一蹴而就的事情。团队中的6名成员耗时三年多，通过大规模实验筛选出了一系列效应子作为研究对象，大规模的初筛也奠定了效应蛋白精细化研究的基础。
研究过程中，该团队发现一类含有叶绿体转运肽的效应蛋白，其中的叶绿体转运肽能够帮助该蛋白转运到叶绿体中。但是，条锈菌作为活体营养型真菌，自身没有叶绿体。
鉴于这样的疑问，他们猜想，这类蛋白很可能进入植物叶绿体行使功能。
“王晓杰通过研究病原菌通过何种方式使植物感病以及植物如何抗病等科学问题，为病害的可持续控制提供理论依据和新策略。”南京农业大学植物保护学院教授董莎萌如此评价。
将研究进行到底
叶绿体是植物细胞内最重要、最普遍的质体，也是进行光合作用的细胞器。叶绿体利用其叶绿素将光能转变为化学能，把CO2与水转变为糖，促使植物生长发育、开花结果。
研究表明，植物叶绿体在植物免疫系统中扮演重要角色。叶绿体是产生植物激素、活性氧以及抗性信号的主要场所，作为植物免疫系统不可或缺的重要因子，它直接关系着植物抗病性。
“这项研究从小麦条锈菌中鉴定了一个效应蛋白Pst_12806，它可以进入到叶绿体中，并降低光合作用以及叶绿体衍生物ROS的产生，从而抑制植物免疫反应。论文首次报道了病原真菌通过攻击植物的叶绿体调控植物免疫的致病机理，抑制由叶绿体介导的活性氧，进而促进病原菌在植物体内定殖，揭示了活体营养型寄生真菌侵染植物的新途径。”王晓杰介绍。
“这项成果拓宽了我们对病原菌抑制寄主免疫途径的认识，加深了我们对病原菌与寄主互作机理的理解，对小麦抗病育种也具有重要的科学指导价值。”董莎萌表示。
所有的科学研究都是无止境的。接下来，团队将充分利用现代技术，结合传统研究有针对性地继续进行材料的筛选与创制，与小麦育种专家共同努力培育出具有广谱抗性的小麦品种，以防止条锈病的发生，让国人吃上绿色、安全的粮食产品。
“我们会一直坚守植物医生的初心，在抗击小麦病害的世界中不断前行。这条路，我们责无旁贷。”王晓杰说。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-019-13487-6
18926578588