植物体内点“烽火”，搭建屏障拦病菌

本文转自：科技日报

广谱抗根肿病基因“卫青”：

植物体内点“烽火”，搭建屏障拦病菌

图为受到根肿菌侵染的油菜根部。 四川农业大学杨辉副教授供图

根肿病是一种由根肿菌引起的土传性植物根部病害。根部肿块会限制水分和营养物质的运输，从而使染病植物的地上部分因缺水萎蔫，直至死亡，最终导致十字花科蔬菜及油料作物显著减产甚至绝收。在农业生产上，根肿病可对油菜等十字花科作物造成极大危害，每年在中国的发病面积达4800万—6000万亩。

◎实习记者 沈 唯

根肿病是一种由根肿菌引起的土传性植物根部病害，在农业生产上，可对油菜等十字花科作物造成极大危害，每年在中国的发病面积达4800万—6000万亩。根肿菌在土壤中可存活20年，耕地一旦被其污染，将不再适合种植十字花科作物，因而根肿病也被称为十字花科作物“绝症”。

近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民研究员团队和陈宇航研究员团队合作，成功克隆了广谱抗根肿病基因，阐明其作用机制，并将该基因命名为“卫青”（WeiTsing，简称WTS），相关研究论文日前发表于《细胞》。

根肿病为何被称为十字花科作物“绝症”？成功克隆“卫青”对植物根肿病防治及抗病基因育种有何重要意义？带着这些问题，科技日报记者采访了论文共同通讯作者周俭民、陈宇航以及论文共同第一作者、共同通讯作者、中国科学院遗传与发育生物学研究所王伟副研究员。

根肿病为何成十字花科作物“绝症”

植物根部形成纺锤状的肿块是根肿病最典型的病症，根肿病也因此而得名。根部肿块会限制水分和营养物质的运输，从而使染病植物的地上部分因缺水萎蔫，直至死亡，最终导致十字花科蔬菜及油料作物显著减产甚至绝收。

“根肿菌的生活周期比较复杂，总体来说分为两个阶段。”王伟告诉记者，在第一阶段，土壤中的根肿菌休眠孢子受宿主分泌信号的诱导，会萌发形成初级游动孢子，初级游动孢子侵染植物根毛或者表皮，在这里发育为次级游动孢子；第二阶段次级游动孢子会进一步侵染植物的皮层和维管束，最终定殖在维管束薄壁细胞内引发不可控的细胞增大及分裂，从外观上看就形成了纺锤状肿块。

我国是油菜种植大国，其总产量约占世界的30%，位居世界第一，油菜也是我国分布区域最广、播种面积最大的油料作物。

周俭民从油料作物抗根肿病育种专家、华中农业大学张椿雨教授处得知，每年我国仅油菜的根肿病发病面积就达到约2000万亩。一旦发病，一亩油菜的损失可以达到50%左右甚至更高，这相当于每亩直接经济损失超400元。除了油菜之外，白菜、萝卜、甘蓝、花椰菜等常见十字花科作物也都会受到这种毁灭性土传病害的威胁。

根肿病之所以被称为十字花科作物的“绝症”，主要有两点原因。

王伟表示，首先，根肿病是一种土传病害，作为病原体的根肿菌随病残体（病叶、病果等）生活在土壤中，条件适宜时就会从作物根部侵害作物，对作物的危害性较大。且根肿菌可以在土壤中存活20年之久，耕地一旦被污染就无法种植十字花科作物。其次，缺乏有效的防治根肿病的化学药物。由于土壤有分散作用，施用农药的效果会大打折扣，且农药的使用还会造成环境污染等。

“卫青”筑起抗根肿菌防御屏障

想要防治根肿病，方法主要有两种。周俭民表示，传统田间采用的管理办法是利用石灰进行化学防治，但这种办法只能解决一时的问题而无法根治根肿病，还会引发土壤板结等问题。

另一种方法就是种植携带抗根肿病基因的品种，这也是防治病害最为绿色、经济、高效的方式。此前已有科学家从欧洲芜菁中挖掘出抗根肿病基因，并将其导入油菜、白菜等农作物，实现根肿病防治。但由于根肿菌的快速变异，就需要不断创制推广具有广谱持续抗性的新品种。

为了找到广谱抗根肿病基因，联合团队综合利用了遗传学、生物化学、结构生物学及生理学等多种方法，收集了200多份十字花科植物拟南芥的不同生态型。不同生态型就是指同一物种由于长期生活在不同的生态环境中，导致在遗传和环境适应性上产生差异的不同类群。“我们通过大规模筛选和遗传分析等方法鉴定到了‘卫青’这个基因，并验证了其具有对根肿菌的抗性。”王伟说。

联合团队发现，将该基因导入油菜后，油菜表现出了对多个根肿菌的良好抗性，且不影响油菜的生长发育，这暗示着“卫青”在油料作物抗根肿病育种中有很大的应用价值。

“根肿菌定殖在植物的维管束中，刺激寄生细胞不断膨大以帮助其疯狂繁殖。对于富含营养和水分的植物维管束组织来说，根肿菌就像‘匈奴’入侵农业高度发展的河套平原一样入侵着植物维管束。我国西汉时期的名将卫青曾以阴山作为防守线，抗击匈奴入侵河套平原，而我们发现的抗根肿病基因则是通过在维管束外围建立起免疫屏障来抵御根肿菌的入侵。因此，我们就将该基因命名为‘卫青’。”周俭民解释道。

“卫青”所编码的蛋白含有4个跨膜螺旋，具有全新的蛋白质折叠类型。“卫青”编码的蛋白定位于内质网，介导钙离子释放。通过将内质网中的钙离子释放到细胞质，在植物细胞中拉响病菌入侵的“警报”，开启防卫反应。

这项研究首次在植物中发现了新型钙离子释放通道，这种植物免疫激活机制不同于经典NLR蛋白抗病小体介导的免疫应答过程，表明植物能够利用新型离子通道来介导钙信号和免疫反应，揭示了一种植物免疫新范式。

为我国抗病基因育种提供更多资源

多年来，周俭民和陈宇航团队在植物抗病基因鉴定、功能研究、结构解析及通道活性鉴定等方面积累了丰富经验。例如周俭民、陈宇航团队联合其他团队揭示了经典抗病小体ZAR1蛋白的离子通道功能，明确了钙离子作为植物激活免疫的初始信号。

此后，陈宇航团队又在合作研究中解析了小麦抗病小体Sr35蛋白的离子通道活性，进一步支持了植物免疫的钙信号理论。这些研究为抗根肿病基因“卫青”的发现奠定了基础。

这项针对抗根肿病基因的研究前后历经7年时间，攻克了研究中基因验证困难、蛋白片段小、膜蛋白不稳定等多项难题。

陈宇航表示，此次研究取得了多项创新突破，成功克隆的广谱抗根肿病基因“卫青”不仅在农业生产上有较大的应用前景，还在根部特异细胞层的诱导和作用方式方面，对其他土传病害抗性机制的研究具有重要借鉴意义。

王伟认为，未来进行抗病基因育种的同时也要继续拓展抗病种质资源，抗病种质资源是植物抗病育种的原始材料，也是抗病基因的载体，有了丰富的抗性资源才能挖掘优良的抗性基因。

周俭民和陈宇航团队均期望今后能够利用不同的生物技术手段，把“卫青”更精准地导入油菜等十字花科作物中，创制含有“卫青”的十字花科作物品种并将其推广，为我国抗病基因育种提供更多资源。