稻瘟病是如何被預(yù)警的？基因定位確定“抗病英雄”身份

　　前沿·聚焦

　　稻瘟病是如何被預(yù)警的

　　有進(jìn)攻就有防御，植物界的戰(zhàn)爭(zhēng)和人類戰(zhàn)爭(zhēng)一樣，水稻在億萬年的進(jìn)化中積累了豐富的作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。它是怎么激發(fā)自身免疫系統(tǒng)開始戰(zhàn)斗的？面對(duì)稻瘟病菌重兵壓境，誰是哨兵？發(fā)現(xiàn)敵情后，它們?nèi)绾蝹鬟f軍事情報(bào)抵抗侵略的？水稻是用什么戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)的呢？

　　在經(jīng)歷了8年的深入研究后，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)萬建民院士團(tuán)隊(duì)通過突變體鑒定、遺傳分析和基因定位等方法，成功克隆出調(diào)控水稻先天免疫的新基因OsCNGC9，揭示了該基因影響水稻苗期稻瘟病抗性的分子機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了水稻依靠鈣離子通道激發(fā)自身免疫系統(tǒng)抵抗稻瘟的內(nèi)在本質(zhì)，揭開了水稻大戰(zhàn)稻瘟的神秘面紗。日前，相關(guān)研究成果在線發(fā)表在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Cell Research(《細(xì)胞研究》)。

　　選美專家選了個(gè)丑家伙

　　當(dāng)看到8株水稻葉子出現(xiàn)了褐色的壞死斑點(diǎn)，就像老年斑一樣，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)副研究員劉喜皺了皺眉頭，“被丑到了”。作為育種專家，他是在選美，喜歡“桿青籽黃”長(zhǎng)得好看的水稻，這幾株肯定是要淘汰的。

　　他沒想到，這8株像染了稻瘟病的病秧子如同袁隆平發(fā)現(xiàn)的那幾株野水稻，會(huì)成為他目前最重要的科研發(fā)現(xiàn)，開啟了水稻研究領(lǐng)域的一個(gè)新里程碑。

　　那是2011年3月的一天，他在海南育種基地檢閱他手下那10多萬兵——10多萬株水稻，當(dāng)時(shí)這8株水稻正在抽穗。像農(nóng)民一樣，劉喜臉被曬得黑黑的，為了加快育種進(jìn)度，他像候鳥一樣，冬天在海南，夏天在南京培育水稻。

　　劉喜在海南種了10多畝的水稻，他的水稻材料太多了，有三四千份不同種類的育種材料，一份材料種40株秧苗，每天要在田間觀察、拍照、記錄。他記得每一株水稻的名字編號(hào)和模樣，每株水稻他每月至少巡視4遍。

　　這8株本就不算什么，三四千份稻種最終只能有幾個(gè)品種被選中，繁殖推廣。

　　幾天后，他又看到了這8株丑家伙。“老年斑”在擴(kuò)散，并且長(zhǎng)勢(shì)也很差，個(gè)子有點(diǎn)矮。他決定再等段時(shí)間再觀察看看。

　　一個(gè)月過去了，這8株丑家伙的“老年斑”雖然在繼續(xù)擴(kuò)大，但它們并沒有死去，還跟其他正常水稻一樣結(jié)了果實(shí)，雖然略顯瘦小。

　　到底是什么原因讓這8株水稻長(zhǎng)得如此之丑？看著丑家伙旁邊俊俏的同伴們，劉喜陷入了深思并開始重點(diǎn)關(guān)注它們。到了收獲時(shí)，他單獨(dú)收獲了這8株丑家伙，拿回南京繼續(xù)種。

　　在南京種植這一代，丑家伙丑得不明顯。劉喜沒灰心，看來這家伙是個(gè)單眼皮一樣的隱性基因控制。他決定繼續(xù)種，看看丑家伙到底是個(gè)什么樣。

　　又連續(xù)種了兩代，在連續(xù)的自交純合后，丑家伙的“丑樣”終于穩(wěn)定遺傳下來了，連續(xù)出現(xiàn)了“老年斑”等特征，和第一代一樣，雖然很丑，但也都能活下來，并能繁育后代。

　　2013年年初，劉喜把它作為一個(gè)新的突變體材料向萬建民院士做了匯報(bào)。萬建民院士決定作為一個(gè)項(xiàng)目開始研究。

　　基因定位確定抗病英雄的身份

　　這個(gè)項(xiàng)目交給了一個(gè)23歲的毛頭小伙子王家昌，當(dāng)時(shí)他在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)讀碩士。指導(dǎo)老師王益華教授告訴他，這個(gè)項(xiàng)目做下去畢業(yè)沒問題，但是能有什么樣的發(fā)現(xiàn)就看你自己了。

　　王家昌也沒料想到這個(gè)項(xiàng)目能出大成果。他當(dāng)時(shí)的打算是，只要博士能順利畢業(yè)找份不錯(cuò)的工作就行。

　　拿到這份特殊的水稻材料，王家昌開始運(yùn)用遺傳學(xué)、分子生物學(xué)手段對(duì)它進(jìn)行細(xì)致的分析。

　　從田間生長(zhǎng)的表現(xiàn)來看，丑家伙開始變丑是發(fā)生在水稻抽穗后——在小時(shí)候，丑家伙也不丑，跟正常水稻一樣。

　　通過遺傳學(xué)分析，劉喜發(fā)現(xiàn)丑家伙和正常同伴雜交的第二代，有1/4出現(xiàn)了丑家伙的表型。根據(jù)孟德爾遺傳定律判斷，控制丑家伙“丑樣”的是一個(gè)隱性遺傳基因，這與劉喜之前的猜測(cè)一樣。

　　先做基因定位。王家昌和劉喜把這個(gè)丑家伙的12條染色體與正常的品種對(duì)比，分段逐個(gè)篩查，看看到底是哪一個(gè)基因發(fā)生了突變。

　　科研工作非常枯燥乏味。水稻基因有3萬多個(gè)，王家昌和劉喜根據(jù)染色體的門牌號(hào)——分子標(biāo)記，終于在第九條染色體上找到了長(zhǎng)相不一樣的染色體片段。

　　拿到這個(gè)片段后，兩人開始入戶摸排，進(jìn)行基因測(cè)序，找這個(gè)隱藏很深的導(dǎo)致丑家伙“丑樣”的幕后兇手。

　　他們利用生物化學(xué)方法分析發(fā)現(xiàn)，原來是丑家伙的一個(gè)正�；�因被嚴(yán)重?fù)p壞了，喪失了功能！根據(jù)這個(gè)正�；�因的特點(diǎn)，按照生物學(xué)界的起名規(guī)律，他們給這個(gè)基因起了個(gè)名字——OsCNGC9(簡(jiǎn)稱阿九)。

　　生物體中，離子通道就像一個(gè)城門，有專人值守，各種各樣的離子都可以通過專用通道去往它們想去的地方。他們發(fā)現(xiàn)，鈣離子比較喜歡走阿九值守的這座城門。

　　王家昌有點(diǎn)迷茫：鈣離子、阿九與丑家伙的種種“丑樣”之間有什么關(guān)系？該向哪個(gè)方向研究呢？他開始查閱各種文獻(xiàn)資料。在兩年內(nèi)，他一直在摸索：是什么影響了水稻的育性？或者導(dǎo)致了水稻的衰老？還有可能影響了它的株高性狀？“老年斑”、個(gè)子矮、子孫少等表型性狀之間到底有什么關(guān)系呢？

　　兩年過去了，關(guān)注的幾個(gè)研究方向均沒有得到很好的結(jié)果，王家昌很焦慮。2015年下半年，他閱讀文獻(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，植物抗病過程中會(huì)有大量的鈣離子到細(xì)胞中傳遞防御信息，鈣離子是公認(rèn)的第二信使(第一信使是植物激素——記者注)，但“通訊兵”鈣離子是從哪個(gè)通道進(jìn)來一直是植物抗病領(lǐng)域的科學(xué)家們所好奇的。

　　這個(gè)丑家伙身上的“老年斑”是很多重要免疫基因行駛功能的表現(xiàn)特征。是阿九影響了情報(bào)傳遞嗎？難道就是它在值守鈣離子通道嗎？

　　稻瘟病是水稻的癌癥，受到攻擊的水稻傷亡慘重，輕則減產(chǎn)20%，重則顆粒無收。農(nóng)業(yè)部的數(shù)據(jù)顯示，近年來，稻瘟病每年給我國(guó)造成30億公斤以上的糧食損失，全球每年損失的糧食可供6000萬人吃一年。

　　當(dāng)他提出稻瘟病的研究方向時(shí)，導(dǎo)師萬院士很感興趣，給他提了一些建議，支持他繼續(xù)研究。結(jié)合多年的田間觀察，劉喜也支持這個(gè)方向。

　　王家昌首先分析阿九是否有稻瘟病的抗病性。為了避免“老年斑”等其他因素對(duì)稻瘟病抗性分析的影響，他們選擇了對(duì)還沒變丑的丑家伙進(jìn)行抗性分析，發(fā)現(xiàn)它抗病性很差，免疫力低下，阿九和鈣離子關(guān)系密切。

　　抗病英雄的英雄壯舉

　　需要研究的是：阿九值守的“城門”到底是不是鈣離子的專用通道？確定這一結(jié)論需要在動(dòng)物細(xì)胞里進(jìn)行電生理學(xué)實(shí)驗(yàn)。一個(gè)跨學(xué)科的研究問題擺在了他們面前，王家昌一直研究植物，突然轉(zhuǎn)入動(dòng)物學(xué)領(lǐng)域，感覺一下抓瞎了。

　　這時(shí)，中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所為他提供了幫助，把阿九轉(zhuǎn)化到人胚腎細(xì)胞中：如果阿九值守的是鈣離子通道，那么在細(xì)胞內(nèi)外施加電壓后，就會(huì)有明顯的由鈣離子形成的電流。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果正如所料，當(dāng)施加電壓到-200 mV時(shí)，電流值達(dá)到了-100 pA，確認(rèn)了阿九是鈣離子專用通道。

　　在植物抗病過程中，鈣離子是否也走這條通道呢？經(jīng)過一系列的生理生化實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，由于阿九“犧牲”了，沒人開啟城門，鈣離子通道喪失功能，“通訊兵”鈣離子不能入城傳遞軍情，導(dǎo)致城內(nèi)防御松懈，無人應(yīng)戰(zhàn)。研究者發(fā)現(xiàn)，丑家伙的其他免疫指標(biāo)低于正常水稻。這表明阿九就是值守專用軍事情報(bào)通道“情報(bào)官”，他們給它起個(gè)正式名字——環(huán)核苷酸離子通道9。

　　此時(shí)又有一個(gè)疑問出現(xiàn)在了他們的腦海中，“通訊兵”鈣離子入城傳遞軍情，是誰去向“情報(bào)官”阿九報(bào)告，讓“通訊兵”鈣離子順利地入城集結(jié)，拉響警報(bào)啟動(dòng)免疫反應(yīng)呢？通過一系列的生化實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)調(diào)控抗病反應(yīng)的基因OsRLCK185(簡(jiǎn)稱“阿五”)，當(dāng)“哨兵”阿五發(fā)現(xiàn)了外敵入侵的信號(hào)后，趕緊匯報(bào)給“情報(bào)官”阿九，阿九打開“城門”，讓“通訊兵”鈣離子到細(xì)胞中集結(jié)，水稻中樞啟動(dòng)免疫反應(yīng)，增強(qiáng)水稻抗病性。

　　一場(chǎng)戰(zhàn)斗過程逐漸在研究者的腦海里形成。在水稻和稻瘟病菌作戰(zhàn)中，“情報(bào)官”阿九起了至關(guān)重要的作用。文章通訊作者萬建民院士給記者打了個(gè)生動(dòng)的比喻，這一系列的過程猶如一場(chǎng)“攻防戰(zhàn)斗”。此前研究者們只是看到了“通訊兵”，對(duì)于之前的“情報(bào)官”和“哨兵”如何發(fā)揮作用知之甚少。

　　這個(gè)實(shí)驗(yàn)開辟了一個(gè)新的研究領(lǐng)域，通過新基因發(fā)現(xiàn)了鈣離子通道，這是一條從病原識(shí)別到鈣通道激活的免疫信號(hào)傳導(dǎo)途徑，揭示了新基因(OsCNGC9)在鈣離子升高和水稻抗病中的作用，為水稻抗稻瘟病育種提供了重要的材料和理論基礎(chǔ)。

　　為了研究抗病英雄阿九是否能夠有改良水稻稻瘟病抗性的潛力。研究者們采用轉(zhuǎn)基因等方法進(jìn)行了驗(yàn)證。把抗病英雄阿九轉(zhuǎn)移到正常水稻品種中觀察抗病性的變化。

　　“實(shí)際上就是在水稻細(xì)胞中多增加了一部分抗病基因，相當(dāng)于多增加幾條專用軍情傳遞通道。”王家昌解釋說。

　　下一步就是讓包含新基因的細(xì)胞繼續(xù)分化，培育成稻苗，對(duì)稻苗接種稻瘟病菌，觀察它的成長(zhǎng)變化。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證成功，新基因能顯著提高水稻抗病性，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析差異極顯著。

　　萬建民院士的助手江玲教授介紹說，這個(gè)項(xiàng)目跨學(xué)科跨平臺(tái)，得到了中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院上海生命科學(xué)研究院植物生理生態(tài)研究所、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等科研單位共同支持。

　　科學(xué)界對(duì)“鈣離子通道”研究成果高度關(guān)注。萬建民認(rèn)為，這項(xiàng)成果為水稻抗稻瘟病育種提供了重要的材料和理論基礎(chǔ)。

　　文章共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王家昌博士告訴記者，他將繼續(xù)研究鈣離子通道在植物里的功能，“這個(gè)項(xiàng)目讓我改變了人生規(guī)劃�！�

　　中國(guó)青年報(bào)·中國(guó)青年網(wǎng)記者 李潤(rùn)文 通訊員 許天穎