給水稻打疫苗！上海科學(xué)家“拿捏”高產(chǎn)與抗病雙目標(biāo)，20年研究成果登上頂刊

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年被病蟲(chóng)害吃掉的糧食近1800萬(wàn)噸。被稱(chēng)為“水稻癌癥”之一的白葉枯病就是其中一個(gè)重大威脅，噴灑農(nóng)藥成了無(wú)奈的生存選擇。如今，中國(guó)科學(xué)家從漫長(zhǎng)的進(jìn)化史中找回了遺失的“免疫補(bǔ)丁”。

4月8日，《自然》（nature）雜志發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員何祖華團(tuán)隊(duì)歷時(shí)20年的成果：團(tuán)隊(duì)成功克隆出廣譜抗病新基因xa48，為水稻“重裝”免疫系統(tǒng)，在“保產(chǎn)量”與“強(qiáng)免疫”的平衡木上，找到了完美的落腳點(diǎn)。

撈針：

在三千份種質(zhì)中喚醒“哨兵”

過(guò)去，白葉枯病在學(xué)術(shù)界和育種界并沒(méi)有得到足夠的警惕。“直到近15年來(lái)，隨著它在華東、華南主產(chǎn)區(qū)危害日益加重，才重新成為重點(diǎn)防控對(duì)象。”何祖華介紹。

臺(tái)風(fēng)降雨導(dǎo)致白葉枯病暴發(fā)

面對(duì)來(lái)勢(shì)洶洶的病菌，現(xiàn)有的抗病品種顯得力不從心。長(zhǎng)久以來(lái)，育種家們?cè)谔镩g地頭面臨著一個(gè)尷尬的處境：一個(gè)辛苦培育出的抗病新品種，往往在推廣三到五年后，就會(huì)因?yàn)椴≡目焖僮儺惗氨粨舸保剐詮氐资А?/p>

破局的關(guān)鍵，在于找到一個(gè)能夠長(zhǎng)久抵御病菌變異的廣譜抗病基因。何祖華團(tuán)隊(duì)與合作者們開(kāi)啟了一場(chǎng)跨越二十年的漫長(zhǎng)跋涉。

中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心副研究員林輝對(duì)這段長(zhǎng)跑記憶猶新。“我們利用能攻破國(guó)際上首個(gè)克隆的白葉枯病抗病基因xa21的毒性菌株作‘試金石’，大規(guī)模篩選了三千份資源。”她說(shuō)。

經(jīng)過(guò)反復(fù)的田間實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室比對(duì)，科研團(tuán)隊(duì)終于在秈稻品種“雙科早”中鎖定了全新的白葉枯病抗病基因xa48。研究表明，相較于此前主要針對(duì)東南亞病原菌變種的xa21，xa48將防御網(wǎng)絡(luò)覆蓋到了東北亞變種。它編碼了一個(gè)nlr類(lèi)免疫受體蛋白，就像是一個(gè)敏銳的“哨兵”，能特異性識(shí)別病原菌分泌的毒性蛋白xopg。一旦發(fā)現(xiàn)敵情，這個(gè)“哨兵”就會(huì)迅速被激活，拉響整個(gè)細(xì)胞的抗病警報(bào)。與早期發(fā)現(xiàn)的基因相比，它將防線(xiàn)有效覆蓋到了更廣闊的東北亞病菌變種地帶。

抉擇：

保命與高產(chǎn)的“進(jìn)化博弈”

既然這個(gè)抗病基因如此強(qiáng)大，為什么現(xiàn)代種植的很多水稻品種里卻找不到它的蹤影？它是如何在幾千年的農(nóng)業(yè)歷史中“隱形”的？

要解開(kāi)這一難題，要回到水稻被人類(lèi)馴化的漫長(zhǎng)歷史中尋找線(xiàn)索。

團(tuán)隊(duì)對(duì)xa48基因開(kāi)展了精細(xì)的生化與細(xì)胞生物學(xué)分析，結(jié)果顯示：當(dāng)xa48蛋白感知到病原菌的毒性蛋白xopg時(shí)，會(huì)快速降解體內(nèi)的免疫抑制蛋白o(hù)svoz1/2，進(jìn)而啟動(dòng)全面的免疫防御。但植物體內(nèi)的能量總量是恒定的。高強(qiáng)度激活免疫系統(tǒng)，會(huì)大量消耗原本用于生長(zhǎng)、灌漿結(jié)實(shí)的養(yǎng)分。

xa48介導(dǎo)的免疫信號(hào)通路及xa48-osvoz1免疫模塊的馴化規(guī)律

團(tuán)隊(duì)由此揭示了一條殘酷而現(xiàn)實(shí)的自然規(guī)律：水稻的產(chǎn)量與抗病性，天生存在此消彼長(zhǎng)的矛盾。 進(jìn)一步的遺傳學(xué)分析證實(shí)，xa48-osvoz1這一免疫模塊殺菌能力極強(qiáng)，卻會(huì)顯著降低粳稻的產(chǎn)量。

兩種水稻的命運(yùn)走向就此分野： 秈稻主要種植在濕熱多雨、臺(tái)風(fēng)頻發(fā)的長(zhǎng)江以南地區(qū)，常年面臨高發(fā)的白葉枯病威脅，為了生存，基因組中必須保留xa48這一抗病基因； 而粳稻多分布在水患較少、氣候偏干冷的北方，病原菌壓力小，在抗病上的需求并不迫切。

于是，在數(shù)千年人類(lèi)追求高產(chǎn)的人工選擇下，北方粳稻為了更高產(chǎn)量，逐步把拖累結(jié)實(shí)率的xa48基因從基因組中淘汰；南方秈稻則在病害與惡劣環(huán)境的持續(xù)壓力下，始終保留著這套免疫機(jī)制。這種由地理環(huán)境與人工選育共同塑造的“差異化馴化”，也正是秈稻與粳稻在田間抗病性上差異巨大的根本原因。

疊加：

開(kāi)創(chuàng)抗病育種新范式

探明了基因丟失的根源，科研的最終落腳點(diǎn)依然要回歸田間，解決當(dāng)下的糧食安全危機(jī)。如何既能擁有野生稻般強(qiáng)悍的廣譜抗病能力，又能保持現(xiàn)代栽培稻的高產(chǎn)農(nóng)藝性狀？何祖華團(tuán)隊(duì)給出的答案是：疊加雙重免疫網(wǎng)絡(luò)。

植物抗病防御分為基礎(chǔ)抗病與專(zhuān)化性抗病兩層網(wǎng)絡(luò)。依靠單一的專(zhuān)化性抗病基因極易被病菌變異瓦解。為此，研究團(tuán)隊(duì)巧妙地將提供基礎(chǔ)免疫的xa21與提供精準(zhǔn)打擊的xa48聚合在一起，在水稻體內(nèi)構(gòu)建起雙重防御網(wǎng)絡(luò)。

奇跡在泥土中生根發(fā)芽。即使在海南南繁基地等地經(jīng)歷了臺(tái)風(fēng)、暴雨及洪水的極端考驗(yàn)，這種疊加了雙重防線(xiàn)的新品系依然在不同稻區(qū)保持了極其穩(wěn)定的廣譜抗性。更令人振奮的是，這種抗性的重構(gòu)并沒(méi)有引發(fā)產(chǎn)量的倒退，兼顧了重要農(nóng)藝性狀的穩(wěn)定。

農(nóng)業(yè)科研必須從田間走到實(shí)驗(yàn)室，最終還要回到田間去經(jīng)受真實(shí)泥土的檢驗(yàn)。何祖華說(shuō)：“我們首次在作物中證明，疊加不同層次的免疫網(wǎng)絡(luò)，可以達(dá)到‘1+1 ＞2’的抗病效果。”

本成果匯聚了中國(guó)科學(xué)院、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)、上海師范大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院、浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院等單位的研究團(tuán)隊(duì)，大科研、大合作的魅力在此刻展露無(wú)遺。

目前，該基因和技術(shù)已經(jīng)被多個(gè)育種單位直接應(yīng)用于抗病新品種的培育中。“預(yù)計(jì)幾年后，新的抗病品種即可推廣，農(nóng)藥也可以少?lài)姟！焙巫嫒A告訴記者，“未來(lái)，我們希望把抗稻瘟病基因也聚合進(jìn)來(lái)，讓水稻既抗細(xì)菌又抗真菌。”

這枚微小的基因

正化作億萬(wàn)畝良田里

最堅(jiān)固的綠色長(zhǎng)城

用實(shí)實(shí)在在的中國(guó)技術(shù)

將糧食安全的命脈

穩(wěn)穩(wěn)攥在自己手中

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作者：藍(lán)悅

上觀號(hào)作者：上海科技