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稻瘟病是如何被預警的?基因定位確定“抗病英雄”身份
來源:環球網 2019/09/30 14:46:01 作者:李潤文
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導讀: 從田間生長的表現來看,丑家伙開始變丑是發生在水稻抽穗后——在小時候,丑家伙也不丑,跟正常水稻一樣。實驗結果正如所料,當施加電壓到-200 mV時,電流值達到了-100 pA,確認了阿九是鈣離子專用通道。為了研究抗病英雄阿九是否能夠有改良水稻稻瘟病抗性的潛力。

前沿 聚焦

稻瘟病是如何被預警的

有進攻就有防御,植物界的戰爭和人類戰爭一樣,水稻在億萬年的進化中積累了豐富的作戰經驗。它是怎么激發自身免疫系統開始戰斗的?面對稻瘟病菌重兵壓境,誰是哨兵?發現敵情后,它們如何傳遞軍事情報抵抗侵略的?水稻是用什么戰術作戰的呢?

在經歷了8年的深入研究后,南京農業大學萬建民院士團隊通過突變體鑒定、遺傳分析和基因定位等方法,成功克隆出調控水稻先天免疫的新基因OsCNGC9,揭示了該基因影響水稻苗期稻瘟病抗性的分子機制,發現了水稻依靠鈣離子通道激發自身免疫系統抵抗稻瘟的內在本質,揭開了水稻大戰稻瘟的神秘面紗。日前,相關研究成果在線發表在國際權威學術期刊Cell Research(《細胞研究》)。

選美專家選了個丑家伙

當看到8株水稻葉子出現了褐色的壞死斑點,就像老年斑一樣,南京農業大學副研究員劉喜皺了皺眉頭,“被丑到了”。作為育種專家,他是在選美,喜歡“桿青籽黃”長得好看的水稻,這幾株肯定是要淘汰的。

他沒想到,這8株像染了稻瘟病的病秧子如同袁隆平發現的那幾株野水稻,會成為他目前最重要的科研發現,開啟了水稻研究領域的一個新里程碑。

那是2011年3月的一天,他在海南育種基地檢閱他手下那10多萬兵——10多萬株水稻,當時這8株水稻正在抽穗。像農民一樣,劉喜臉被曬得黑黑的,為了加快育種進度,他像候鳥一樣,冬天在海南,夏天在南京培育水稻。

劉喜在海南種了10多畝的水稻,他的水稻材料太多了,有三四千份不同種類的育種材料,一份材料種40株秧苗,每天要在田間觀察、拍照、記錄。他記得每一株水稻的名字編號和模樣,每株水稻他每月至少巡視4遍。

這8株本就不算什么,三四千份稻種最終只能有幾個品種被選中,繁殖推廣。

幾天后,他又看到了這8株丑家伙。“老年斑”在擴散,并且長勢也很差,個子有點矮。他決定再等段時間再觀察看看。

一個月過去了,這8株丑家伙的“老年斑”雖然在繼續擴大,但它們并沒有死去,還跟其他正常水稻一樣結了果實,雖然略顯瘦小。

到底是什么原因讓這8株水稻長得如此之丑?看著丑家伙旁邊俊俏的同伴們,劉喜陷入了深思并開始重點關注它們。到了收獲時,他單獨收獲了這8株丑家伙,拿回南京繼續種。

在南京種植這一代,丑家伙丑得不明顯。劉喜沒灰心,看來這家伙是個單眼皮一樣的隱性基因控制。他決定繼續種,看看丑家伙到底是個什么樣。

又連續種了兩代,在連續的自交純合后,丑家伙的“丑樣”終于穩定遺傳下來了,連續出現了“老年斑”等特征,和第一代一樣,雖然很丑,但也都能活下來,并能繁育后代。

2013年年初,劉喜把它作為一個新的突變體材料向萬建民院士做了匯報。萬建民院士決定作為一個項目開始研究。

基因定位確定抗病英雄的身份

這個項目交給了一個23歲的毛頭小伙子王家昌,當時他在南京農業大學讀碩士。指導老師王益華教授告訴他,這個項目做下去畢業沒問題,但是能有什么樣的發現就看你自己了。

王家昌也沒料想到這個項目能出大成果。他當時的打算是,只要博士能順利畢業找份不錯的工作就行。

拿到這份特殊的水稻材料,王家昌開始運用遺傳學、分子生物學手段對它進行細致的分析。

從田間生長的表現來看,丑家伙開始變丑是發生在水稻抽穗后——在小時候,丑家伙也不丑,跟正常水稻一樣。

通過遺傳學分析,劉喜發現丑家伙和正常同伴雜交的第二代,有1/4出現了丑家伙的表型。根據孟德爾遺傳定律判斷,控制丑家伙“丑樣”的是一個隱性遺傳基因,這與劉喜之前的猜測一樣。

先做基因定位。王家昌和劉喜把這個丑家伙的12條染色體與正常的品種對比,分段逐個篩查,看看到底是哪一個基因發生了突變。

科研工作非常枯燥乏味。水稻基因有3萬多個,王家昌和劉喜根據染色體的門牌號——分子標記,終于在第九條染色體上找到了長相不一樣的染色體片段。

拿到這個片段后,兩人開始入戶摸排,進行基因測序,找這個隱藏很深的導致丑家伙“丑樣”的幕后兇手。

他們利用生物化學方法分析發現,原來是丑家伙的一個正常基因被嚴重損壞了,喪失了功能!根據這個正常基因的特點,按照生物學界的起名規律,他們給這個基因起了個名字——OsCNGC9(簡稱阿九)。

生物體中,離子通道就像一個城門,有專人值守,各種各樣的離子都可以通過專用通道去往它們想去的地方。他們發現,鈣離子比較喜歡走阿九值守的這座城門。

王家昌有點迷茫:鈣離子、阿九與丑家伙的種種“丑樣”之間有什么關系?該向哪個方向研究呢?他開始查閱各種文獻資料。在兩年內,他一直在摸索:是什么影響了水稻的育性?或者導致了水稻的衰老?還有可能影響了它的株高性狀?“老年斑”、個子矮、子孫少等表型性狀之間到底有什么關系呢?

兩年過去了,關注的幾個研究方向均沒有得到很好的結果,王家昌很焦慮。2015年下半年,他閱讀文獻時發現,植物抗病過程中會有大量的鈣離子到細胞中傳遞防御信息,鈣離子是公認的第二信使(第一信使是植物激素——記者注),但“通訊兵”鈣離子是從哪個通道進來一直是植物抗病領域的科學家們所好奇的。

這個丑家伙身上的“老年斑”是很多重要免疫基因行駛功能的表現特征。是阿九影響了情報傳遞嗎?難道就是它在值守鈣離子通道嗎?

稻瘟病是水稻的癌癥,受到攻擊的水稻傷亡慘重,輕則減產20%,重則顆粒無收。農業部的數據顯示,近年來,稻瘟病每年給我國造成30億公斤以上的糧食損失,全球每年損失的糧食可供6000萬人吃一年。

當他提出稻瘟病的研究方向時,導師萬院士很感興趣,給他提了一些建議,支持他繼續研究。結合多年的田間觀察,劉喜也支持這個方向。

王家昌首先分析阿九是否有稻瘟病的抗病性。為了避免“老年斑”等其他因素對稻瘟病抗性分析的影響,他們選擇了對還沒變丑的丑家伙進行抗性分析,發現它抗病性很差,免疫力低下,阿九和鈣離子關系密切。

抗病英雄的英雄壯舉

需要研究的是:阿九值守的“城門”到底是不是鈣離子的專用通道?確定這一結論需要在動物細胞里進行電生理學實驗。一個跨學科的研究問題擺在了他們面前,王家昌一直研究植物,突然轉入動物學領域,感覺一下抓瞎了。

這時,中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所為他提供了幫助,把阿九轉化到人胚腎細胞中:如果阿九值守的是鈣離子通道,那么在細胞內外施加電壓后,就會有明顯的由鈣離子形成的電流。

實驗結果正如所料,當施加電壓到-200 mV時,電流值達到了-100 pA,確認了阿九是鈣離子專用通道。

在植物抗病過程中,鈣離子是否也走這條通道呢?經過一系列的生理生化實驗分析發現,由于阿九“犧牲”了,沒人開啟城門,鈣離子通道喪失功能,“通訊兵”鈣離子不能入城傳遞軍情,導致城內防御松懈,無人應戰。研究者發現,丑家伙的其他免疫指標低于正常水稻。這表明阿九就是值守專用軍事情報通道“情報官”,他們給它起個正式名字——環核苷酸離子通道9。

此時又有一個疑問出現在了他們的腦海中,“通訊兵”鈣離子入城傳遞軍情,是誰去向“情報官”阿九報告,讓“通訊兵”鈣離子順利地入城集結,拉響警報啟動免疫反應呢?通過一系列的生化實驗,他們發現了另一個調控抗病反應的基因OsRLCK185(簡稱“阿五”),當“哨兵”阿五發現了外敵入侵的信號后,趕緊匯報給“情報官”阿九,阿九打開“城門”,讓“通訊兵”鈣離子到細胞中集結,水稻中樞啟動免疫反應,增強水稻抗病性。

一場戰斗過程逐漸在研究者的腦海里形成。在水稻和稻瘟病菌作戰中,“情報官”阿九起了至關重要的作用。文章通訊作者萬建民院士給記者打了個生動的比喻,這一系列的過程猶如一場“攻防戰斗”。此前研究者們只是看到了“通訊兵”,對于之前的“情報官”和“哨兵”如何發揮作用知之甚少。

這個實驗開辟了一個新的研究領域,通過新基因發現了鈣離子通道,這是一條從病原識別到鈣通道激活的免疫信號傳導途徑,揭示了新基因(OsCNGC9)在鈣離子升高和水稻抗病中的作用,為水稻抗稻瘟病育種提供了重要的材料和理論基礎。

為了研究抗病英雄阿九是否能夠有改良水稻稻瘟病抗性的潛力。研究者們采用轉基因等方法進行了驗證。把抗病英雄阿九轉移到正常水稻品種中觀察抗病性的變化。

“實際上就是在水稻細胞中多增加了一部分抗病基因,相當于多增加幾條專用軍情傳遞通道。”王家昌解釋說。

下一步就是讓包含新基因的細胞繼續分化,培育成稻苗,對稻苗接種稻瘟病菌,觀察它的成長變化。實驗驗證成功,新基因能顯著提高水稻抗病性,數據統計分析差異極顯著。

萬建民院士的助手江玲教授介紹說,這個項目跨學科跨平臺,得到了中國農業科學院作物科學研究所、中國科學院上海生命科學研究院植物生理生態研究所、中國科學院遺傳與發育生物學研究所等科研單位共同支持。

科學界對“鈣離子通道”研究成果高度關注。萬建民認為,這項成果為水稻抗稻瘟病育種提供了重要的材料和理論基礎。

文章共同第一作者、南京農業大學王家昌博士告訴記者,他將繼續研究鈣離子通道在植物里的功能,“這個項目讓我改變了人生規劃。”

中國青年報 中國青年網記者 李潤文 通訊員 許天穎

原標題:稻瘟病是如何被預警的?基因定位確定“抗病英雄”身份

責編:梁立群 (如涉版權請聯系[email protected]  轉載請注明海疆在線)
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