大田生长的油菜。 受访者供图

■本报记者 冯丽妃

西汉时，名将卫青将对匈奴的防线推至阴山山脉一线，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研究员周俭民、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，它如“将领”一般对抗“敌军”菌株，也被命名为“卫青”。

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生存20年之久，耕地一旦被其污染，将无法继续种植十字花科作物。每年我国根肿病发病面积达4800万~6000万亩。“这不仅给农户带来经济损失，也给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。

研究团队近日发表于《细胞》的一项研究，不仅克隆了基因“卫青”，还阐明了其围堵根肿病的作用机制。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。

寻找“制敌能手”

每年春季，像金色花海一样的油菜田总会成为游客打卡地。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，周俭民在四川参加一次学术会议时，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，导致其生长迟缓或枯死。”

中国是油菜种植大国，总产量约占世界的30%，位居世界第一。据国家统计局数据，2021年，我国油菜种植面积超过1亿亩。

然而，周俭民在与油菜抗病遗传育种专家、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，每年我国油菜根肿病发病面积达2000万亩左右。一旦发病，一亩油菜的损失面积可以达到50%左右，甚至更高。按每亩直接经济损失超400元折算下来，我国每年油菜损失达数十亿元。

更严峻的问题是，作物即便染病枯死，其“肿瘤”还会释放出根肿菌休眠孢子，可在土壤里生存20年，导致土壤无法种植。

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“基本无药可治”。传统田间管理办法是撒石灰，但这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。目前，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。

那么，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的200多份野芥菜中分离鉴定出一个高抗根肿病基因，并将其命名为“卫青”。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，油菜不仅表现出良好的抗性，生长发育也完全正常。他们还发现，携带该基因的油菜对多个根肿菌表现为高抗，包括在现有抗性品种上表现出高致病力的菌株，表明它是一个广谱抗性基因。

“卫青”这样克敌

那么，“卫青”是如何制敌的呢？

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”，根肿菌的狡猾之处是，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。随着病程的发展，植物根系组织遭到破坏，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解释说。

“当监测到敌情时，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，这是课题组将新发现的基因命名为“卫青”的原因。

据悉，这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发挥作用的分子机制。

大有用武之地

自20世纪20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，发现新基因可抵御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，攻克了研究中基因验证困难、蛋白片段小、膜蛋白不稳定等难题，以及机制分析难以开展等诸多问题。“就像新能源汽车产业一样，只有我们准备好核心技术产品，才能在国家生物育种相关政策放开的时候，迅速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—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20多年的难题。如今，他与合作者正把目光聚焦于油菜根肿病、水稻稻瘟病、猕猴桃溃疡病等农业生产中的实际问题，希望通过基础科学研究为农业增收助力。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.023