作者:董欣年等 来源:《自然》 发布时间:2017/6/5 15:38:22
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“带开关”水稻可抗多种疾病
可控免疫系统有望使农作物增收

研究人员找到水稻抗病开关。图片来源:华中农大

农民通常会向农田喷洒农药,以抵御病毒、细菌或真菌的侵袭。但农药本身会存在一定的安全隐患。因此,数年来,植物学家一直在寻找摆脱这些化学品,让植物能自然抗病害的方法。

但迄今为止,大部分成果仅能抵御单一疾病。不过,美国杜克大学植物生物学家董欣年团队为水稻安上了一种“免疫系统开关”。它能在不影响作物产量的前提下,大大增强植物本身的免疫系统,并同时对抗多种病原体。研究人员近日在《自然》上连续在线发表了两篇论文(论文一论文二)。

“自从我进入该领域以来,人们就在绞尽脑汁寻找如何在需要的时间和地点激活一个免疫系统。”英国塞恩斯伯里实验室植物防御机制专家Jonathan Jones说,“这个新研究是我知道的该领域最有希望的成果之一。”

植物的免疫系统与人类的免疫系统不同。植物没有血液循环将免疫细胞送至全身各处以对抗感染。相反,它们的细胞表面有着一些受体存在,当这些受体检测到微生物释放的信号分子时就会启动免疫反应,使植物产生一系列抗微生物的化学物质,以消除感染。

20年来,董欣年一直致力于研究植物防御“主调节器”基因。这个基因名为NPR1,在模式植物拟南芥研究中十分普遍。由于它能启动植物的系统获得性抵抗(广谱免疫力),也被称为植物免疫的“主调节者”,并已成为科学家试图提高水稻、小麦、苹果、番茄等植物免疫系统的广泛目标。

但如果NPR1基因一直处于激活状态,植物的生长就会受到严重影响。“这会让植物长得很‘惨’,所以在农业上不是很有用。”董欣年说。

为了找出原因,研究人员考虑了人类免疫系统。在人的免疫系统高度活跃时,免疫系统过载,身体就会出现发高烧等反应,人体的机能自然会受到影响。同样的,当植物的免疫系统被过度激活时,植物就长不好。

于是,为了能让 NPR1发挥作用,研究人员需要给它装上一个更好的开关,使它只有在植物遭受攻击时才“打开”,并在植物正常生长时“关闭”。董欣年团队与合作者、中国华中农业大学研究人员正是发现和应用了这一机制。

在拟南芥研究中,董欣年团队发现一种叫做TBF1的免疫激活蛋白质会通过复杂过程迅速激活植物的免疫系统响应。但TBF1是如何随时开启免疫系统的?秘密可能在于植物在感受到威胁的情况下,会快速准备好一种编码TBF1的信使RNA,并将这些分子快速转译成TBF1蛋白质,然后启动一系列免疫防御机制。

很快,董欣年意识到,这段特殊的DNA 序列——“TBF1暗盒”,好像是控制植物免疫系统响应的开关。因此,研究人员从拟南芥基因中复制了“TBF1暗盒”,并将其黏在水稻NPR1基因的前方。

结果显示,一旦NPR1基因前有了这个开关,就能在病原体感染植物时,大量启动 NPR1蛋白的表达,起到抗病害的作用。而由于它的表达受病原体入侵的调控,在植物的正常生长中,NPR1 并不会起到负面效果。

研究人员发现,表达这套“可控免疫系统”的水稻,其抗稻瘟病和真菌性疾病的能力比野生型水稻更强。在野生型水稻里,水稻白叶枯菌和叶条斑病等入侵者能感染整个叶片,而带有“可控免疫系统”的水稻,能将病害控制在很小范围内。“这些植物在田里长得非常好,健康且没有受到明显损害。它们的谷粒数量和重量都没有明显改变。”董欣年说。

未参与该研究的北卡罗莱纳大学教堂山分校植物免疫系统专家Jeff Dangl表示,该研究有朝一日会成为发展中国家农民的福祉。例如,水稻瘟病每年会使全球水稻减产30%。“在发展中国家,当农民无法负担杀灭真菌药剂时,他们可能颗粒无收。”Dangl说。

加州大学河畔分校植物学家 Julia Bailey-Serres对此赞不绝口。她说:“我们的计算表明,这项研究能带来重大的影响。这套系统很容易被应用到其他作物中,而且能同时针对真菌和细菌两大病原体。”

尽管这批能抗病的植物还没在全球得到大规模推广,但Jones希望看到它更广泛的应用。“希望50年后,我的孙子孙女会不解地问我,‘爷爷,以前人们还在用农药控制植物病害吗?’这就是我们想实现的目标。”Jones说。

(来源:中国科学报 张章编译)

 
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