另辟蹊径对抗“水稻癌症”

本文转自：中国科学报

稻瘟病田间为害症状。受访者供图

■本报记者 李晨

被称为“水稻癌症”的稻瘟病是一种毁灭性真菌病害，每年给我国造成的粮食损失高达30亿公斤，严重制约我国主粮作物的稳产、高产和优产。

为了攻克稻瘟病，南京农业大学植物保护学院教授张正光带领团队与病菌较量了近30年。近日，该团队联合上海师范大学教授邢维满团队在《自然-植物》发表了最新研究成果，在国内外率先提出以稻瘟病菌保守效应子为靶标创制杀菌剂的新理念。

他们发现了稻瘟病菌特有的保守毒性效应子MoErs1，并揭示其抑制寄主免疫的机制。基于该机制，他们设计的二苯醚酯类化合物对稻瘟病具有显著的防治效果。

挑战常识：效应子会是新靶标吗？

水稻是我国的主要粮食作物，种植面积约占我国粮食作物总面积的30%。张正光告诉《中国科学报》，由稻瘟病菌引起的稻瘟病，严重时可引起水稻减产40%~50%，甚至颗粒无收。目前，施用杀菌剂和利用抗病品种是防控稻瘟病的主要手段。

然而，可用于绿色农药创制的杀菌剂分子靶标数量非常有限。根据国际杀菌剂抗性行动委员会的统计，目前可用于杀菌剂开发的靶标只有20余种。多数杀菌剂是针对同一靶标开发的，全球广泛使用的杀菌剂中60%的品种只针对3个靶标。

目前所采用的杀菌剂靶标，绝大多数是病菌生长发育的必需基因。这些基因表达的蛋白往往控制着病菌生存的重要生理生化过程，一旦遭到破坏，病菌本身就不能存活。

张正光解释说，由于靶标数量有限，导致现有药剂作用靶点单一、结构同质化严重。病菌关键基因一旦发生突变，便有可能导致药剂活性丧失，因而抗药性风险巨大。

例如，杀菌剂可能只针对特定的生物学过程发挥作用，而病原菌很容易通过单一机制的变异产生抗药性；另外，一个靶标被多种不同的杀菌剂共同作用，病原菌可能通过对该靶标的变异同时抵抗多种杀菌剂，从而增加抗药性风险。

“因此，深入解析稻瘟病菌与水稻互作的分子机制，挖掘新的杀菌剂靶标，创制绿色高效低毒杀菌剂，有望为稻瘟病的绿色防控建立新策略。”张正光说。

张正光团队在长期研究中发现，效应蛋白是病原菌向宿主植物——水稻分泌的一种抑制寄主免疫、促进病菌侵染的必要“武器”。

植物与病原菌长期互作过程中，植物依赖于细胞膜上的模式识别受体感知病原相关模式分子，触发PTI免疫反应。而病原菌为了抑制寄主的PTI免疫反应，会分泌大量效应子进入寄主细胞，引起感病性。

反过来，为了应对效应子触发的感病性，植物逐渐进化出抗病蛋白和特异性识别效应子，从而触发更为强烈的ETI免疫反应。为了生存并定殖于寄主植物，病原菌的效应子会不断变异、进化，从而逃避寄主抗病蛋白的识别，规避水稻的ETI免疫反应。

由此可见，效应子多数不保守、容易变异，因而至今还没有以效应子为靶标研发杀菌剂的先例。

但张正光团队并没有被常识所限制。“既然效应子在病菌侵染过程中如此重要，能不能以保守效应子为靶标，研发新型稻瘟病杀菌剂？”2013年，南京农业大学植物保护学院副教授刘木星接过了寻找杀菌剂新靶标的任务。

揭开效应子神秘面纱

“其实，对效应子MoErs1功能的解析着实不易。”刘木星回忆说。

真核生物蛋白质的分泌主要依赖于囊泡运输过程，病菌效应子的分泌也是如此。当把调控囊泡转运的相关基因敲除后，病菌分泌效应子的过程就中断了，对水稻的侵染也就不会发生。

为了寻找病菌致病必需的毒性效应子，张正光团队对鉴定的效应子编码基因进行了逐个敲除，最终发现一种被称为MoErs1的效应子缺失后能够中断病菌的侵染过程。他们意识到，这是一个非常关键的效应子，或许是研究的突破口。

2015年，张正光团队就鉴定到了效应子MoErs1。但由于其序列上没有特殊功能域，导致他们一直无法得知其具体的功能。

在之后的8年多时间里，张正光团队默默做着一步步的解析工作。为进一步研究效应子MoErs1的功能，揭开它的神秘面纱，他们首先对其多态性进行分析，发现在已经测序的来自世界各地的几百份稻瘟病菌生理小种中不存在多态性，表明其保守性高、不易发生变异。“这种保守性决定了其在稻瘟病菌致病过程中的重要性。”刘木星说。

既然序列没有对应特殊功能，张正光团队只能想办法研究效应子的三维结构。最终，他们与邢维满团队合作解析了效应子MoErs1的晶体结构，发现它是一类半胱氨酸蛋白酶抑制子，能够靶标水稻的半胱氨酸蛋白酶OsRD21，并抑制其酶活，从而干扰OsRD21在水稻免疫中的作用。

新型杀菌剂已经诞生

基于效应子与水稻免疫系统互作的模型，研究人员设计出一种二苯醚酯类化合物。该化合物能够与病菌效应子MoErs1结合，抑制其靶向水稻的OsRD21，从而发挥OsRD21在水稻免疫中的作用，抵抗稻瘟病菌侵染，有效控制病害的发生。

“目前，我们已经完成该化合物的急性毒性、三致毒性和环境毒性等预实验，均为低毒。”刘木星说。

2023年9月，二苯醚酯类化合物FY21001防控稻瘟病现场观摩会在湖南省桃江县举行。专家组在现场查看了各个药剂处理的稻瘟病病情指数和田间防效，一致认为二苯醚酯类化合物与对照药剂三环唑的防治效果相当。

中国工程院院士柏连阳评价，二苯醚酯类化合物FY21001是基于原创性靶标研发的具有原创性结构的新型高效低毒杀菌剂，突破了传统杀菌剂创制的局限性。其对稻瘟病田间防效突出，与现有稻瘟病防控主流药剂效果相当，建议加快进入农药登记程序。

张正光表示，该研究拓展了人们对杀菌剂研发的认知，创建了以效应子为靶标的新型杀菌剂创制新策略。同时，由于效应子是真菌特有的分泌到胞外的蛋白，针对效应子开发的杀菌剂具有低毒、不易产生抗药性等特点，符合我国绿色农药创制的发展需求，为我国绿色农药创制开辟了新途径。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-024-01642-x