一個(gè)富有挑戰(zhàn)的科學(xué)問(wèn)題

水稻是我國(guó)最重要的糧食作物之一，但近年來(lái)，水稻病蟲害呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)、老病新發(fā)態(tài)勢(shì)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。抗病性能好的水稻品種往往產(chǎn)量不高，如何在抗病的同時(shí)不影響其產(chǎn)量性狀？如何讓植物的免疫屏障抵御不同病原菌的反復(fù)進(jìn)攻？

解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾攉@悉，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心何祖華研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)15年不懈追問(wèn)，終于獲得了答案。2021年9月30日，相關(guān)論文在線發(fā)表于國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》上。這是該團(tuán)隊(duì)繼2017年在《科學(xué)》發(fā)表水稻廣譜抗病新機(jī)制后的又一重大進(jìn)展。

【“這差不多相當(dāng)于3億人一年的口糧了”】

“我國(guó)占世界約8%的耕地，卻用了全世界約35%的農(nóng)藥?！焙巫嫒A介紹。

我國(guó)農(nóng)作物病害年均發(fā)病面積在1.2-1.5億畝，因此造成的產(chǎn)量損失高達(dá)15%-30%。有些重要病害，比如“紋枯病”，目前尚無(wú)育種上可用的抗病資源；再如“稻曲病”，老病新發(fā)，近20年來(lái)由于氮肥增加等原因，病害越來(lái)越重。稻曲病菌會(huì)產(chǎn)生環(huán)肽毒素，對(duì)人畜有較強(qiáng)毒害作用，引起肝臟腫大、生殖與泌尿系統(tǒng)病變等。

讓人憂心的是，我國(guó)在大量使用農(nóng)藥的情況下，每年仍然因病蟲害損失糧食至少1600萬(wàn)噸、棉花50萬(wàn)噸、油料90萬(wàn)噸和其他作物1100萬(wàn)噸?！斑@差不多相當(dāng)于3億人一年的口糧了！”

【植物如何不過(guò)度“防衛(wèi)”，既抗病又穩(wěn)產(chǎn)】

“像水稻等農(nóng)作物，經(jīng)過(guò)人類長(zhǎng)期選擇，高產(chǎn)等性狀保留下來(lái)，而抗病性的性狀會(huì)丟失?！闭撐牡墓餐ㄓ嵶髡邨钚l(wèi)兵研究員告訴解放日?qǐng)?bào)·上觀新聞?dòng)浾摺?/p>

作物抗病育種是控制病害最有效的途徑，但高抗的水稻品種往往生長(zhǎng)發(fā)育受到限制，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。這就提出了一個(gè)富有挑戰(zhàn)的科學(xué)問(wèn)題：植物如何不過(guò)度“防衛(wèi)”，既能抗病又能穩(wěn)產(chǎn)。

經(jīng)過(guò)15年的持續(xù)攻關(guān)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了水稻鈣離子中的“感應(yīng)器”ROD1可精細(xì)調(diào)控水稻免疫，它通過(guò)降解具有免疫活性的超氧分子，從而抑制植物的“防衛(wèi)”。

可別小看了這一“感應(yīng)器”，它很會(huì)“玩平衡”呢！在沒(méi)有病原菌“入侵”時(shí)，植物的基礎(chǔ)免疫維持在較低水平，有利于水稻生長(zhǎng)，進(jìn)而提高產(chǎn)量。但當(dāng)病原菌“大舉侵入”時(shí)，ROD1會(huì)被其他蛋白所降解，功能被減弱，植物的免疫則增強(qiáng)了，從而保證植物產(chǎn)生有效的“防衛(wèi)”。

其實(shí)，病原菌和植物長(zhǎng)期處于“軍備競(jìng)賽”的協(xié)同進(jìn)化過(guò)程中。研究發(fā)現(xiàn)，稻瘟病菌會(huì)進(jìn)化出模擬ROD1結(jié)構(gòu)的毒性蛋白，并在植物體內(nèi)盜用ROD1的免疫抑制途徑。而植物也進(jìn)化出了與病原菌共同生存的策略，即適當(dāng)減弱植物的抗病能力，來(lái)保證其生長(zhǎng)繁殖，延續(xù)后代。這正是植物聰明的生存之道。

研究人員通過(guò)對(duì)3000多種不同水稻品種的基因序列分析，發(fā)現(xiàn)ROD1單個(gè)氨基酸的改變可以影響其抗性和地理分布，進(jìn)一步挖掘了其育種應(yīng)用價(jià)值。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)ROD1的功能在禾谷類作物中是保守的，提出了通過(guò)基因編輯實(shí)現(xiàn)廣譜抗病的新策略。

【輸入“廣譜抗病”，他的名字肯定會(huì)出現(xiàn)】

“打個(gè)比方，本來(lái)最高產(chǎn)量可達(dá)900千克，適當(dāng)減弱植物的抗病能力，雖然產(chǎn)量降低到850千克，但可大幅度減少農(nóng)藥，還能做到穩(wěn)產(chǎn)，這相比病蟲害導(dǎo)致的減產(chǎn)甚至顆粒無(wú)收，可以說(shuō)相當(dāng)了不起。”中科院分子植物卓越中心主任、中科院院士韓斌認(rèn)為，這項(xiàng)研究不僅拓寬了人們對(duì)于作物抗病性基礎(chǔ)理論的認(rèn)知，對(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)高產(chǎn)高抗的作物品種也具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用潛力。

審稿人也高度評(píng)價(jià)，“從來(lái)沒(méi)有看到過(guò)這么完整的工作，是結(jié)合基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的范例?！?/p>

此次研究是兩代科學(xué)家努力的結(jié)果，論文的共同通訊作者楊衛(wèi)兵和第一作者高明君都是何祖華的學(xué)生，在長(zhǎng)達(dá)15年的時(shí)間里，他們從來(lái)沒(méi)有想過(guò)放棄。關(guān)鍵基因ROD1位于染色體的一端，遺傳重組率非常低，為了精準(zhǔn)定位克隆到這個(gè)基因，就連他們自己都記不清究竟做了多少實(shí)驗(yàn)。留存下來(lái)的除了實(shí)驗(yàn)記錄，還有一張攝于凌晨1時(shí)48分的照片（下圖），那是高高摞起來(lái)的PCR板，每個(gè)板子有96個(gè)孔，每個(gè)孔就是一個(gè)PCR反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，這還只是其中一部分。

“何祖華是我們中心最高產(chǎn)的一位科學(xué)家，如果在搜索引擎里輸入‘廣譜抗病’這一關(guān)鍵詞，他的名字肯定會(huì)出現(xiàn)?！表n斌院士說(shuō)，從國(guó)外學(xué)成歸來(lái)后的20多年里，何祖華把研發(fā)的廣譜抗病基因無(wú)償提供給中國(guó)的種業(yè)公司和育種專家使用，水稻種植面積至少已有1千萬(wàn)畝?！八且晃患兇獾目茖W(xué)家，一輩子把一件事做到底、做到極致?！?/p>

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