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    攻克馬鈴薯晚疫病曙光初現

    2020-04-20 06:14 | 作者: 中國科學報 | 標簽: 馬鈴薯

    被馬鈴薯晚疫病侵染,數日之內農田就會變成一片“焦土”。

    19世紀中葉,馬鈴薯晚疫病在歐洲大流行,并導致愛爾蘭上百萬人餓死,史稱“愛爾蘭大饑荒”,這折射出農作物安全生產對人類社會的深刻影響。

    100多年來,科學家持續不斷地與迅速變異的馬鈴薯晚疫病菌作斗爭。

    4月14日,美國《國家科學院院刊》在線發表了南京農業大學作物疫病團隊領銜完成的最新成果。他們破解了馬鈴薯一個廣譜抗病基因的識別分子機制,為今后開展晚疫病綠色防控提供了新思路。

    自然界尚存的廣譜抗晚疫病基因

    馬鈴薯晚疫病是世界范圍內最嚴重的植物病害之一,每年造成近百億美元的經濟損失。論文通訊作者、南京農業大學教授董莎萌向《中國科學報》描述,馬鈴薯晚疫病早期癥狀不明顯,幾天后就進入中晚期,“大田里就像被火燒過一遍,葉子都是焦黑的。由于無法進行光合作用,馬鈴薯莖葉很快就枯死了”。

    “馬鈴薯晚疫病是一種毀滅性作物病害,目前其防治主要依賴噴施大量化學農藥。”南京農業大學植物保護學院院長王源超告訴《中國科學報》,選育和栽培含有抗病基因的馬鈴薯品種是晚疫病綠色防控的重要環節,植物的抗病基因是抵御病菌的寶貴資源。

    “然而在不清楚抗病基因作用機制的情況下,頻繁濫用抗病基因已造成多數基因在田間失效,發掘和保護廣譜抗病基因已成為當務之急。”王源超說。

    董莎萌在接受《中國科學報》采訪時說,重大病害都有一個特點,就是變異速度快,而發生突變之后,原來的抗病品種就失去了抗性。“過去近100多年,育種家選育了很多馬鈴薯抗病品種,但是一旦推廣到大田生產,很多品種往往撐不過5年就喪失了抗性。”

    “目前,自然界中尚存少量珍稀的廣譜抗晚疫病基因。”王源超說,在最新研究中解析的抗病基因Rpi-vnt1.1就是其中之一。

    據了解,該抗病基因于2010年克隆成功,在其批準上市后,攜帶該基因的馬鈴薯品種在北美大田生產中展現出良好的經濟和生態效益。“然而該基因的作用分子機制尚不清楚,制約了該基因的保護性開發與利用。”董莎萌說。

    中國農業科學院農業基因組所研究員黃三文告訴《中國科學報》,培育和應用具有遺傳抗性的作物品系是目前最為經濟環保的晚疫病防治手段。因此,對馬鈴薯種質資源及其野生近源物種中晚疫病抗性基因的挖掘和驗證,是過去20余年馬鈴薯研究中最為重要的課題之一。

    葉綠體里的防守反擊戰

    董莎萌課題組發現,經典抗性基因Rpi-vnt1.1(以下簡稱抗病基因)通過識別晚疫病菌分泌的效應子AVRvnt1(以下簡稱效應子)介導對晚疫病的廣譜抗性。“晚疫病菌中該效應子相對保守,不易發生變異,可能因其突變直接影響病菌的田間活力。這就是該基因的抗性一直沒有被病菌克服的原因。”董莎萌說。

    科學家已經知道,破壞葉綠體功能導致植株生病是馬鈴薯晚疫病主要的侵染途徑之一。而董莎萌課題組證實,抗病基因識別效應子產生的抗性功能具有光依賴性。

    董莎萌說,葉綠體就像一個小工廠,里面有蛋白質分子組成的流水線,產生供植物生長的能量和物質。葉綠體甘油酸鹽激酶(GLYK,以下簡稱激酶)是其中不可或缺的零件。

    激酶遺傳位點上存在著具有光依賴性的可變啟動子選擇(APS)調控機制,可在不同光條件下生成GLYKFL和GLYKcyt兩種零件。其中GLYKFL在光照條件下為主要零件,因為含有葉綠體信號肽,所以分布于葉綠體內并維持其功能;而另一種不含信號肽的零件GLYKcyt在無光條件下不斷積累,由于進不了葉綠體而被慢慢降解。

    病菌效應子很聰明地攻擊具有葉綠體信號肽的馬鈴薯GLYKFL,通過阻遏激酶進入到葉綠體,切斷其正常運轉,遏制光合作用,進而導致植物在光照條件下感病。但這一過程卻能被抗病基因精確地識別出來,及時啟動一系列免疫反應。

    “白天光合作用旺盛時,病菌入侵得熱火朝天,抗病基因識別出入侵后和病菌打得你死我活;晚上葉綠體休息,病菌偃旗息鼓,抗病基因感知不到入侵從而休戰。”董莎萌說。

    期待更廣泛的抗病機制研究

    歷時6年,董莎萌課題組通過與英國、荷蘭多家科研單位合作,破解了廣譜抗病基因Rpi-vnt1.1的作用機制。

    董莎萌說,目前,由于馬鈴薯晚疫病菌和馬鈴薯在“很多遺傳操作上非常困難”,因此國際上對其致病、抗病機理的研究不多,了解非常有限。

    王源超說,這一成果為今后科學開發與利用這一抗病基因提供了重要的實踐依據,有望通過減施化學農藥,保障食品安全,服務國家馬鈴薯主食化戰略。

    黃三文則指出,對激酶同源基因的比對分析發現,其編碼蛋白的葉綠體信號肽在茄科植物中高度保守。激酶不僅在抗病基因主導的效應子激發免疫中具有重要功能,而且在茄科植物的基礎免疫中同樣是重要的調控因子。

    “這揭示了可變啟動子選擇現象在植物抗逆過程中可能存在廣泛影響,以及葉綠體在植物抗逆過程中扮演的重要角色。該工作的發現對后續的晚疫病抗性機制乃至其他作物的抗病機制研究都具有積極的借鑒意義。”黃三文說。

    不過,董莎萌強調,目前他們搞清楚的只是抗病機制的第一步,后面的免疫反應如何依次啟動尚不了解,亟待展開更多科學研究。

    同時,除了通過葉綠體侵染馬鈴薯,病原菌還會通過一些其他途徑入侵植株,這些機制尚待科學家深入研究。

    相關論文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2002759117

    來源:中國科學報

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