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上海交大陳功友團隊開辟水稻廣譜抗病育種新途徑

放大字體  縮小字體 發布日期:2019-10-16  來源:科學網
核心提示:上海交通大學教授陳功友領銜的植物與病原菌分子互作研究團隊通過近20年研究,揭示了病原菌效應蛋白這個“間諜”與植物感病基因“接頭人”之間的協同進化關系,提出利用基因編輯技術阻斷兩者之間的協同進化進程,從而使植物獲得廣譜抗病(RLS)的育種新途徑,為解決作物抗病性喪失問題,保障糧食安全與食品安全提供了新的思路。該研究成果近日在線發表于《分子植物》。

  陳功友教授(右)在田間查看白葉枯病病情

  廣譜持久抗病水稻新品系與對照水稻

  上海交通大學教授陳功友領銜的植物與病原菌分子互作研究團隊通過近20年研究,揭示了病原菌效應蛋白這個“間諜”與植物感病基因“接頭人”之間的協同進化關系,提出利用基因編輯技術阻斷兩者之間的協同進化進程,從而使植物獲得廣譜抗病(RLS)的育種新途徑,為解決作物抗病性喪失問題,保障糧食安全與食品安全提供了新的思路。該研究成果近日在線發表于《分子植物》。

  水稻白葉枯病是三大水稻病害之一,是危害水稻生產的頭號細菌“殺手”。該病在亞洲、拉丁美洲和西非數十個國家的水稻種植區廣泛發生,國內目前除了新疆和東北的北部地區以外,其他省市的水稻種植區均有分布。水稻白葉枯病通常導致水稻減產10%~20%,發生嚴重的地區可達50%以上,甚至是絕收。同時水稻白葉枯病也是植物病理學和植物免疫學領域最重要的模式系統之一,在科學上具有重要研究價值。

  大量篩選,發現病原細菌新“間諜”

  植物病害發生的過程,就是病原菌與植物雙方投入大量“兵力”進行的一場沒有硝煙的戰爭。為了抵御病原菌的入侵,植物通過角質、蠟質等多種生化物質構筑起一系列堅固的物理和化學“堡壘”。病原菌運用“明修棧道,暗渡陳倉”的兵法來“攻擊”這些“堡壘”,一方面通過合成胞外降解酶、毒素等物質“明修棧道”,從外部一層層瓦解這些“堡壘”,另一方面卻通過組裝多種被稱為分泌系統的裝置“暗渡陳倉”,將大量的效應蛋白“間諜”直接分泌到植物體“堡壘”內部,這些“間諜”在植物體內部大肆破壞,最終使“堡壘”從內部被“攻破”,植物發生病害。水稻白葉枯病菌派出的最重要的一類效應蛋白“間諜”是III型分泌系統分泌的轉錄激活因子類效應蛋白(TALE蛋白),其中只有少數幾個毒性作用明顯,稱為主效TALE蛋白。

  陳功友團隊多年來從全國各水稻產區的發病田塊收集分離到數百個白葉枯病原菌株,在不同的水稻品種上測定了這些菌株的毒性,并進行分子標記分析,發現這些中國菌株具有豐富的遺傳多樣性和毒性差異。通過基因組學和分子生物學工具,從其中幾個強毒性菌株中分離到數十個TALE蛋白編碼基因并分別測定毒性,最終“識破”了一類被稱為PthXo2-like的新型主效TALE蛋白“間諜”,并且在不同的菌株中發現了這類蛋白的五種類型。

  反復驗證,確定水稻“間諜接頭人”

  水稻白葉枯病菌分泌的TALE蛋白“間諜”進入植物細胞后,能夠躲過植物免疫系統的偵查,偽裝成水稻自身的轉錄激活因子,與“潛伏”在水稻細胞內的一類感病基因“接頭人”進行“聯絡”,“接頭暗號”是雙方特定氨基酸序列與DNA序列之間的一套密碼。一旦“對上了暗號”,TALE蛋白就能夠識別并結合在病基因啟動子的相應區域,激活感病基因的表達,從內部“攻破”植物的防線。

  研究人員通過對新發現的 “間諜”蛋白序列進行比較分析,初步確定水稻感病基因OsSWEET13具有“接頭人”嫌疑。接下來經過不同分子生物學實驗的反復驗證,最終確定該基因即為該類“間諜”的靶標基因“接頭人”。同時,對3000份水稻種質資源基因組進行的分析發現,該基因在啟動子識別區域也存在十種不同的類型。從而證明病原菌的效應蛋白“間諜”與水稻感病基因“接頭人”之間呈現出一種“軍備競賽”的協同進化關系。

  善用利器,建立抗病育種新途徑

  陳功友團隊根據水稻感病基因“接頭人”OsSWEET與病原細菌TALE蛋白“間諜”之間的關系,采用新興的基因編輯技術這一研究利器,干擾“間諜”與“接頭人”之間“接頭暗號”的識別,從而同時阻斷多個細菌TALE蛋白“間諜”的破壞活動,最終獲得了廣譜抗白葉枯病的水稻新種質,提出了阻斷植物感病性而獲得廣譜抗病性的育種新途徑。

  南京農業大學竇道龍教授對此評價道:“該研究在理論上闡明了不通過利用抗病基因而通過編輯多個感病基因從而實現作物的廣譜抗病性,為水稻白葉枯病的防治提供了新的材料和方案,為作物抗病育種和抗性喪失治理提供了成功案例,具有重要理論和實踐意義。”

  據悉,陳功友團隊目前正在將該技術應用于優良雜交水稻親本的改良中,預計一兩年內可育成穩定遺傳的品種,這將大大縮短雜交水稻育種年限。不久,隨著這些高產又抗病的品種在生產上的推廣應用,農藥的用量將急劇減少,農民生產水稻的經濟和人力成本將大大降低,而老百姓將也在餐桌上吃到更加優質安全的大米。
 
 
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