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根腫病是一種由根腫菌引起的土傳性植物根部病害。根部腫塊會(huì)限制水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，從而使染病植物的地上部分因缺水萎蔫，直至死亡，最終導(dǎo)致十字花科蔬菜及油料作物顯著減產(chǎn)甚至絕收。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，根腫病可對(duì)油菜等十字花科作物造成極大危害，每年在中國(guó)的發(fā)病面積達(dá)4800萬(wàn)—6000萬(wàn)畝。
根腫病是一種由根腫菌引起的土傳性植物根部病害，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，可對(duì)油菜等十字花科作物造成極大危害，每年在中國(guó)的發(fā)病面積達(dá)4800萬(wàn)—6000萬(wàn)畝。根腫菌在土壤中可存活20年，耕地一旦被其污染，將不再適合種植十字花科作物，因而根腫病也被稱為十字花科作物“絕癥”。
近日，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周儉民研究員團(tuán)隊(duì)和陳宇航研究員團(tuán)隊(duì)合作，成功克隆了廣譜抗根腫病基因，闡明其作用機(jī)制，并將該基因命名為“衛(wèi)青”(WeiTsing，簡(jiǎn)稱WTS)，相關(guān)研究論文日前發(fā)表于《細(xì)胞》。
根腫病為何被稱為十字花科作物“絕癥”?成功克隆“衛(wèi)青”對(duì)植物根腫病防治及抗病基因育種有何重要意義?帶著這些問題，科技日?qǐng)?bào)記者采訪了論文共同通訊作者周儉民、陳宇航以及論文共同第一作者、共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所王偉副研究員。
根腫病為何成十字花科作物“絕癥”
植物根部形成紡錘狀的腫塊是根腫病最典型的病癥，根腫病也因此而得名。根部腫塊會(huì)限制水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，從而使染病植物的地上部分因缺水萎蔫，直至死亡，最終導(dǎo)致十字花科蔬菜及油料作物顯著減產(chǎn)甚至絕收。
“根腫菌的生活周期比較復(fù)雜，總體來(lái)說(shuō)分為兩個(gè)階段。”王偉告訴記者，在第一階段，土壤中的根腫菌休眠孢子受宿主分泌信號(hào)的誘導(dǎo)，會(huì)萌發(fā)形成初級(jí)游動(dòng)孢子，初級(jí)游動(dòng)孢子侵染植物根毛或者表皮，在這里發(fā)育為次級(jí)游動(dòng)孢子;第二階段次級(jí)游動(dòng)孢子會(huì)進(jìn)一步侵染植物的皮層和維管束，最終定殖在維管束薄壁細(xì)胞內(nèi)引發(fā)不可控的細(xì)胞增大及分裂，從外觀上看就形成了紡錘狀腫塊。
我國(guó)是油菜種植大國(guó)，其總產(chǎn)量約占世界的30%，位居世界第一，油菜也是我國(guó)分布區(qū)域最廣、播種面積最大的油料作物。
周儉民從油料作物抗根腫病育種專家、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張椿雨教授處得知，每年我國(guó)僅油菜的根腫病發(fā)病面積就達(dá)到約2000萬(wàn)畝。一旦發(fā)病，一畝油菜的損失可以達(dá)到50%左右甚至更高，這相當(dāng)于每畝直接經(jīng)濟(jì)損失超400元。除了油菜之外，白菜、蘿卜、甘藍(lán)、花椰菜等常見十字花科作物也都會(huì)受到這種毀滅性土傳病害的威脅。
根腫病之所以被稱為十字花科作物的“絕癥”，主要有兩點(diǎn)原因。
王偉表示，首先，根腫病是一種土傳病害，作為病原體的根腫菌隨病殘?bào)w(病葉、病果等)生活在土壤中，條件適宜時(shí)就會(huì)從作物根部侵害作物，對(duì)作物的危害性較大。且根腫菌可以在土壤中存活20年之久，耕地一旦被污染就無(wú)法種植十字花科作物。其次，缺乏有效的防治根腫病的化學(xué)藥物。由于土壤有分散作用，施用農(nóng)藥的效果會(huì)大打折扣，且農(nóng)藥的使用還會(huì)造成環(huán)境污染等。
“衛(wèi)青”筑起抗根腫菌防御屏障
想要防治根腫病，方法主要有兩種。周儉民表示，傳統(tǒng)田間采用的管理辦法是利用石灰進(jìn)行化學(xué)防治，但這種辦法只能解決一時(shí)的問題而無(wú)法根治根腫病，還會(huì)引發(fā)土壤板結(jié)等問題。
另一種方法就是種植攜帶抗根腫病基因的品種，這也是防治病害最為綠色、經(jīng)濟(jì)、高效的方式。此前已有科學(xué)家從歐洲蕪菁中挖掘出抗根腫病基因，并將其導(dǎo)入油菜、白菜等農(nóng)作物，實(shí)現(xiàn)根腫病防治。但由于根腫菌的快速變異，就需要不斷創(chuàng)制推廣具有廣譜持續(xù)抗性的新品種。
為了找到廣譜抗根腫病基因，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)綜合利用了遺傳學(xué)、生物化學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)及生理學(xué)等多種方法，收集了200多份十字花科植物擬南芥的不同生態(tài)型。不同生態(tài)型就是指同一物種由于長(zhǎng)期生活在不同的生態(tài)環(huán)境中，導(dǎo)致在遺傳和環(huán)境適應(yīng)性上產(chǎn)生差異的不同類群。“我們通過(guò)大規(guī)模篩選和遺傳分析等方法鑒定到了‘衛(wèi)青’這個(gè)基因，并驗(yàn)證了其具有對(duì)根腫菌的抗性。”王偉說(shuō)。
聯(lián)合團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，將該基因?qū)胗筒撕�，油菜表現(xiàn)出了對(duì)多個(gè)根腫菌的良好抗性，且不影響油菜的生長(zhǎng)發(fā)育，這暗示著“衛(wèi)青”在油料作物抗根腫病育種中有很大的應(yīng)用價(jià)值。
“根腫菌定殖在植物的維管束中，刺激寄生細(xì)胞不斷膨大以幫助其瘋狂繁殖。對(duì)于富含營(yíng)養(yǎng)和水分的植物維管束組織來(lái)說(shuō)，根腫菌就像‘匈奴’入侵農(nóng)業(yè)高度發(fā)展的河套平原一樣入侵著植物維管束。我國(guó)西漢時(shí)期的名將衛(wèi)青曾以陰山作為防守線，抗擊匈奴入侵河套平原，而我們發(fā)現(xiàn)的抗根腫病基因則是通過(guò)在維管束外圍建立起免疫屏障來(lái)抵御根腫菌的入侵。因此，我們就將該基因命名為‘衛(wèi)青’。”周儉民解釋道。
“衛(wèi)青”所編碼的蛋白含有4個(gè)跨膜螺旋，具有全新的蛋白質(zhì)折疊類型。“衛(wèi)青”編碼的蛋白定位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，介導(dǎo)鈣離子釋放。通過(guò)將內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的鈣離子釋放到細(xì)胞質(zhì)，在植物細(xì)胞中拉響病菌入侵的“警報(bào)”，開啟防衛(wèi)反應(yīng)。
這項(xiàng)研究首次在植物中發(fā)現(xiàn)了新型鈣離子釋放通道，這種植物免疫激活機(jī)制不同于經(jīng)典NLR蛋白抗病小體介導(dǎo)的免疫應(yīng)答過(guò)程，表明植物能夠利用新型離子通道來(lái)介導(dǎo)鈣信號(hào)和免疫反應(yīng)，揭示了一種植物免疫新范式。
為我國(guó)抗病基因育種提供更多資源
多年來(lái)，周儉民和陳宇航團(tuán)隊(duì)在植物抗病基因鑒定、功能研究、結(jié)構(gòu)解析及通道活性鑒定等方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。例如周儉民、陳宇航團(tuán)隊(duì)聯(lián)合其他團(tuán)隊(duì)揭示了經(jīng)典抗病小體ZAR1蛋白的離子通道功能，明確了鈣離子作為植物激活免疫的初始信號(hào)。
此后，陳宇航團(tuán)隊(duì)又在合作研究中解析了小麥抗病小體Sr35蛋白的離子通道活性，進(jìn)一步支持了植物免疫的鈣信號(hào)理論。這些研究為抗根腫病基因“衛(wèi)青”的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
這項(xiàng)針對(duì)抗根腫病基因的研究前后歷經(jīng)7年時(shí)間，攻克了研究中基因驗(yàn)證困難、蛋白片段小、膜蛋白不穩(wěn)定等多項(xiàng)難題。
陳宇航表示，此次研究取得了多項(xiàng)創(chuàng)新突破，成功克隆的廣譜抗根腫病基因“衛(wèi)青”不僅在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上有較大的應(yīng)用前景，還在根部特異細(xì)胞層的誘導(dǎo)和作用方式方面，對(duì)其他土傳病害抗性機(jī)制的研究具有重要借鑒意義。
王偉認(rèn)為，未來(lái)進(jìn)行抗病基因育種的同時(shí)也要繼續(xù)拓展抗病種質(zhì)資源，抗病種質(zhì)資源是植物抗病育種的原始材料，也是抗病基因的載體，有了豐富的抗性資源才能挖掘優(yōu)良的抗性基因。
周儉民和陳宇航團(tuán)隊(duì)均期望今后能夠利用不同的生物技術(shù)手段，把“衛(wèi)青”更精準(zhǔn)地導(dǎo)入油菜等十字花科作物中，創(chuàng)制含有“衛(wèi)青”的十字花科作物品種并將其推廣，為我國(guó)抗病基因育種提供更多資源。
（責(zé)任編輯：華康）
