植物體內點“烽火”，搭建屏障攔病菌
根腫病是一種由根腫菌引起的土傳性植物根部病害。根部腫塊會限制水分和營養物質的運輸，從而使染病植物的地上部分因缺水萎蔫，直至死亡，最終導致十字花科蔬菜及油料作物顯著減產甚至絕收。在農業生產上，根腫病可對油菜等十字花科作物造成極大危害，每年在中國的發病面積達4800萬—6000萬畝。
根腫病是一種由根腫菌引起的土傳性植物根部病害，在農業生產上，可對油菜等十字花科作物造成極大危害，每年在中國的發病面積達4800萬—6000萬畝。根腫菌在土壤中可存活20年，耕地一旦被其污染，將不再適合種植十字花科作物，因而根腫病也被稱為十字花科作物“絕癥”。
近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民研究員團隊和陳宇航研究員團隊合作，成功克隆了廣譜抗根腫病基因，闡明其作用機制，并將該基因命名為“衛青”（WeiTsing，簡稱WTS），相關研究論文日前發表于《細胞》。
根腫病為何被稱為十字花科作物“絕癥”？成功克隆“衛青”對植物根腫病防治及抗病基因育種有何重要意義？帶著這些問題，科技日報記者采訪了論文共同通訊作者周儉民、陳宇航以及論文共同第一作者、共同通訊作者、中國科學院遺傳與發育生物學研究所王偉副研究員。
根腫病為何成十字花科作物“絕癥”
植物根部形成紡錘狀的腫塊是根腫病最典型的病癥，根腫病也因此而得名。根部腫塊會限制水分和營養物質的運輸，從而使染病植物的地上部分因缺水萎蔫，直至死亡，最終導致十字花科蔬菜及油料作物顯著減產甚至絕收。
“根腫菌的生活周期比較復雜，總體來說分為兩個階段。”王偉告訴記者，在第一階段，土壤中的根腫菌休眠孢子受宿主分泌信號的誘導，會萌發形成初級游動孢子，初級游動孢子侵染植物根毛或者表皮，在這里發育為次級游動孢子；第二階段次級游動孢子會進一步侵染植物的皮層和維管束，最終定殖在維管束薄壁細胞內引發不可控的細胞增大及分裂，從外觀上看就形成了紡錘狀腫塊。
我國是油菜種植大國，其總產量約占世界的30%，位居世界第一，油菜也是我國分布區域最廣、播種面積最大的油料作物。
周儉民從油料作物抗根腫病育種專家、華中農業大學張椿雨教授處得知，每年我國僅油菜的根腫病發病面積就達到約2000萬畝。一旦發病，一畝油菜的損失可以達到50%左右甚至更高，這相當于每畝直接經濟損失超400元。除了油菜之外，白菜、蘿卜、甘藍、花椰菜等常見十字花科作物也都會受到這種毀滅性土傳病害的威脅。
根腫病之所以被稱為十字花科作物的“絕癥”，主要有兩點原因。
王偉表示，首先，根腫病是一種土傳病害，作為病原體的根腫菌隨病殘體（病葉、病果等）生活在土壤中，條件適宜時就會從作物根部侵害作物，對作物的危害性較大。且根腫菌可以在土壤中存活20年之久，耕地一旦被污染就無法種植十字花科作物。其次，缺乏有效的防治根腫病的化學藥物。由于土壤有分散作用，施用農藥的效果會大打折扣，且農藥的使用還會造成環境污染等。
“衛青”筑起抗根腫菌防御屏障
想要防治根腫病，方法主要有兩種。周儉民表示，傳統田間采用的管理辦法是利用石灰進行化學防治，但這種辦法只能解決一時的問題而無法根治根腫病，還會引發土壤板結等問題。
另一種方法就是種植攜帶抗根腫病基因的品種，這也是防治病害最為綠色、經濟、高效的方式。此前已有科學家從歐洲蕪菁中挖掘出抗根腫病基因，并將其導入油菜、白菜等農作物，實現根腫病防治。但由于根腫菌的快速變異，就需要不斷創制推廣具有廣譜持續抗性的新品種。
為了找到廣譜抗根腫病基因，聯合團隊綜合利用了遺傳學、生物化學、結構生物學及生理學等多種方法，收集了200多份十字花科植物擬南芥的不同生態型。不同生態型就是指同一物種由于長期生活在不同的生態環境中，導致在遺傳和環境適應性上產生差異的不同類群。“我們通過大規模篩選和遺傳分析等方法鑒定到了‘衛青’這個基因，并驗證了其具有對根腫菌的抗性。”王偉說。
聯合團隊發現，將該基因導入油菜后，油菜表現出了對多個根腫菌的良好抗性，且不影響油菜的生長發育，這暗示著“衛青”在油料作物抗根腫病育種中有很大的應用價值。
“根腫菌定殖在植物的維管束中，刺激寄生細胞不斷膨大以幫助其瘋狂繁殖。對于富含營養和水分的植物維管束組織來說，根腫菌就像‘匈奴’入侵農業高度發展的河套平原一樣入侵著植物維管束。我國西漢時期的名將衛青曾以陰山作為防守線，抗擊匈奴入侵河套平原，而我們發現的抗根腫病基因則是通過在維管束外圍建立起免疫屏障來抵御根腫菌的入侵。因此，我們就將該基因命名為‘衛青’。”周儉民解釋道。
“衛青”所編碼的蛋白含有4個跨膜螺旋，具有全新的蛋白質折疊類型。“衛青”編碼的蛋白定位于內質網，介導鈣離子釋放。通過將內質網中的鈣離子釋放到細胞質，在植物細胞中拉響病菌入侵的“警報”，開啟防衛反應。
這項研究首次在植物中發現了新型鈣離子釋放通道，這種植物免疫激活機制不同于經典NLR蛋白抗病小體介導的免疫應答過程，表明植物能夠利用新型離子通道來介導鈣信號和免疫反應，揭示了一種植物免疫新范式。
為我國抗病基因育種提供更多資源
多年來，周儉民和陳宇航團隊在植物抗病基因鑒定、功能研究、結構解析及通道活性鑒定等方面積累了豐富經驗。例如周儉民、陳宇航團隊聯合其他團隊揭示了經典抗病小體ZAR1蛋白的離子通道功能，明確了鈣離子作為植物激活免疫的初始信號。
此后，陳宇航團隊又在合作研究中解析了小麥抗病小體Sr35蛋白的離子通道活性，進一步支持了植物免疫的鈣信號理論。這些研究為抗根腫病基因“衛青”的發現奠定了基礎。
這項針對抗根腫病基因的研究前后歷經7年時間，攻克了研究中基因驗證困難、蛋白片段小、膜蛋白不穩定等多項難題。
陳宇航表示，此次研究取得了多項創新突破，成功克隆的廣譜抗根腫病基因“衛青”不僅在農業生產上有較大的應用前景，還在根部特異細胞層的誘導和作用方式方面，對其他土傳病害抗性機制的研究具有重要借鑒意義。
王偉認為，未來進行抗病基因育種的同時也要繼續拓展抗病種質資源，抗病種質資源是植物抗病育種的原始材料，也是抗病基因的載體，有了豐富的抗性資源才能挖掘優良的抗性基因。
周儉民和陳宇航團隊均期望今后能夠利用不同的生物技術手段，把“衛青”更精準地導入油菜等十字花科作物中，創制含有“衛青”的十字花科作物品種并將其推廣，為我國抗病基因育種提供更多資源。
◎實習記者 沈 唯
