《细胞》：以“卫青”之名，抵御“绝症”根肿病
西汉时，名将卫青北出阴山，让匈奴不敢进犯黄河河套地区。现在，中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民、陈宇航合作团队，在野芥菜中挖掘到一个广谱抗根肿病基因，并将其命名为“卫青”。
研究团队不仅克隆了基因“卫青”，还阐明了其围堵根肿病的作用机制。北京时间2023年6月8日晚，相关研究发表于《细胞》。该刊多位审稿人认为，这是一项“令人印象深刻”的研究，具有广阔的应用前景。
根肿病堪称十字花科作物的“绝症”。根肿菌休眠孢子在土壤中可存活20年之久，耕地一旦被污染，将无法继续种植这类作物。每年我国根肿病发病面积达4800万~6000万亩。“这不仅会给农户带来了经济损失，也对我国有限的耕地面积带来极大压力。”周俭民对《中国科学报》说。
寻找“制敌能手”
每年春季，荡漾着金色花海的油菜田总会成为许多游客的打卡地。不过，人们目力所不及的地下，油菜正遭受不断蔓延的“大头病”的威胁。
2016年，周俭民到四川参加一次学术会议，同样研究植物病害的四川农业大学教授黄云告诉他：“被根肿菌感染的油菜，根系会长出‘肿瘤’，让植物无法吸收养分，生长迟缓或枯死。”
中国是油菜种植大国，总产量约占世界的30%，居世界第一位。据国家统计局数据，2021年，我国油菜种植面积超过一亿亩。
图1：大田生长的油菜。安徽农科院研究员胡宝成供图
然而，周俭民在与油菜抗病遗传育专家、华中农业大学植物科学技术学院教授张椿雨交流时了解到，每年我国油菜的根肿病发病面积达到2000万亩左右。一旦发病，一亩油菜的损失可以达到50%左右甚至更高。这相当于每亩直接经济损失超400元，折下来每年仅油菜就会造成数十亿元的损失。
让问题更严峻的是，作物即便染病枯死，其“肿瘤”还会释放出根肿菌休眠孢子，在土壤里生活20年，无法种植。
除了油菜，白菜、萝卜、甘蓝、花椰菜等常见十字花科作物也都受到这种毁灭性土传病害的威胁。
遗憾的是，周俭民告诉记者，目前根肿病仍“基本无药可治”。传统田间管理办法是撒石灰，但只能解决一时的问题，无法根治，且会导致土壤板结。
在国际上，尽管已有科学家从欧洲芜菁中挖掘出一些根肿病抗病基因，并用其杂交转育油菜、白菜等农作物实现根肿病防治，但田间根肿菌混生且变异丰富，抗病基因往往表现出菌株特异性，且机制研究薄弱。张椿雨团队已经在田间分离到了可让部分抗根肿病基因失效的新变异菌株。
能否找到对付新毒性菌株的广谱性新基因呢？
周俭民与合作者从国外收集到的200多份野芥菜中分离鉴定到一个高抗根肿病基因，并将其命名为“卫青”。
据介绍，这个“制敌将领”可编码一个从未报道过的蛋白。研究团队将其导入油菜后不仅表现出良好的抗性，生长发育也完全正常。他们发现该基因在包括现有抗性品种上表现出高致病力的菌株，表明这是一个广谱抗性基因。
图2：受到根肿病侵害的油菜根部肿大症状。四川农业大学副教授杨辉供图
“卫青”这样克敌
那么，“卫青”如何制敌呢？
周俭民团队和陈宇航团队分别通过细胞生物学、分子生物学、冷冻电镜、电生理等方法，揭开了其中的秘密。
不同于大多数植物病原体在植物细胞间“偷取养分”的方式，根肿菌狡猾的是，它会钻入植物细胞内繁殖。尤其有害的是，根肿菌会在“根芯”——中柱内安营扎寨，刺激寄生细胞不断膨大以帮助其疯狂繁殖，这也是形成“大头病”病症的原因。随着病程发展，植物根系组织被破坏，无法吸收养分，导致植物生长缓慢或死亡。
周俭民团队发现，“卫青”平常并不表达，只有在发现敌情时，才在被称为中柱鞘的一层特殊细胞内表达，这层细胞在中柱外围形成一道防线，阻断根肿菌向中柱内的入侵。
“卫青”编码的蛋白定位于内质网。陈宇航团队发现，“卫青”是一个新型的离子通道，将内质网中的钙离子释放到细胞质，以此在植物细胞中拉响病菌入侵的“警报”，开启防卫反应。
“名将卫青抗击匈奴入侵是将阴山作为防守线，防止匈奴入侵河套平原。与此类似，植物中柱内传递养分的维管束系统就像传承农耕文明的河套平原，而‘卫青’蛋白装配成为内质网的钙离子通道来发挥‘烽火台’的作用。”该论文共同通讯作者陈宇航打比方解释。
“当监测敌情到来时，钙离子就从内质网释放出来，如同烽火被点燃一样传递‘军情’。这样一来，钙信号激活植物免疫应答过程，从而在中柱的外鞘形成一道防线，抵御病原菌入侵‘河套平原’。”他说，这也是课题组将其命名为“卫青”的原因。
据悉，这也是科学家在植物中首次发现胞内的钙离子释放通道，可响应病原菌入侵激活钙信号和免疫应答。“这是一项极为有趣的研究。”一位国际审稿人认为，研究者打破学科壁垒，利用遗传学、生物化学、结构生物学及生理学等多种方法，阐释了抗根肿病基因的发挥作用的分子机制。
大有用武之地
自二十个世纪二十年代在我国台湾和福建地区发现根肿病以来，我国根肿病的发生面积不断增加。尤其是近年来，随着农业机械化的不断发展，根肿病在我国呈快速蔓延的趋势，目前发生面积约占全国十字花科作物种植面积的30%。
为了验证“卫青”的可靠性，周俭民团队使用张椿雨团队提供的高毒性新变异菌株进行检测，发现新基因可“降服”这种变异菌株的入侵。
当前在全球，通过生物育种实现作物抗病、高产方兴未艾。周俭民希望，未来可以通过生物育种把“卫青”更精准地导入油菜等十字花科作物中，为我国抗病基因育种提供更多选择。
据介绍，这项研究前后花费了7年时间，克服了研究中基因验证困难、蛋白片段小、膜蛋白不稳定等，导致机制分析难以开展等诸多问题。“就像新能源汽车一样，只有我们把核心的技术产品准备好了，才能在国家生物育种相关政策放开的时候，迅速地为产业提供技术支撑。”周俭民说。
周俭民团队长期研究植物免疫机制。2019年到2021年该团队曾与清华大学研究员柴继杰等团队合作，在国际上首次发现了植物抗病小体并阐明了其激活免疫的核心机制，解决了困扰植物免疫领域二十多年的难题。如今，他和合作者正把目光聚焦向油菜根肿病、水稻稻瘟病、猕猴桃溃疡病等实际农业问题，希望通过基础科学研究为农业增收提供助力。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.023
编辑 | 余 荷
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