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上海科学家找到方法:基因层面打击水稻头号细菌“杀手”
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来源:上观新闻 作者: 彭德倩 王辰轩 2019-10-18 16:16
摘要: 白叶枯病是三大水稻病害之一,是危害水稻生产的头号细菌“杀手”。植物病害发生的过程,就是病原菌与植物双方投入大量“兵力”进行的战争。为抵御病原菌入侵,植物通过角质、蜡质等多种生化物质构筑起一系列坚固的物理和化学“堡垒”。

正值世界粮食日,上海交通大学传出信息:陈功友教授领衔的植物与病原菌分子互作研究团队通过多年研究,揭示了病原菌效应蛋白这个“间谍”与植物感病基因“接头人”之间的协同进化关系,提出利用基因编辑技术阻断两者之间的协同进化进程,从而使植物获得广谱抗病(RLS)育种新途径,为解决作物抗病性丧失问题、保障粮食与食品安全提供了新思路。日前,这一研究成果在线发表在Cell出版社旗下植物科学领域权威期刊《Molecular Plant》上。

收集数百个白叶枯病原菌株

白叶枯病是三大水稻病害之一,是危害水稻生产的头号细菌“杀手”。植物病害发生的过程,就是病原菌与植物双方投入大量“兵力”进行的战争。为抵御病原菌入侵,植物通过角质、蜡质等多种生化物质构筑起一系列坚固的物理和化学“堡垒”。病原菌一方面通过合成胞外降解酶、毒素等物质“明修栈道”,从外部一层层瓦解“堡垒”, 另一方面却通过组装多种被称为分泌系统的装置“暗渡陈仓”,将大量的效应蛋白“间谍”直接分泌到植物体“堡垒”内部,在植物体内部大肆破坏,最终使“堡垒”被攻破。水稻白叶枯病菌派出的最重要的一类效应蛋白“间谍”,是III型分泌系统分泌的转录激活因子类效应蛋白(TALE蛋白)。

在农业部公益性行业专项等项目支持下,陈功友团队从全国各水稻产区的发病田块收集分离到数百个白叶枯病原菌株,在不同的水稻品种上测定这些菌株的毒性,并进行分子标记分析,发现这些菌株具有丰富的遗传多样性和毒性差异。通过基因组学和分子生物学工具,从其中几个强毒性菌株中分离到数十个TALE蛋白编码基因并分别测定毒性,最终“识破”了一类被称为PthXo2-like的新型主效TALE蛋白“间谍”,并且在不同菌株中发现了这类蛋白的五种类型。

基因编辑技术干扰“接头暗号”

水稻白叶枯病菌分泌的TALE蛋白“间谍”进入植物细胞后,能躲过植物免疫系统侦查,伪装成水稻自身的转录激活因子,与“潜伏”在水稻细胞内的一类感病基因“接头人”进行联络,“接头暗号”是双方特定氨基酸序列与DNA序列之间的一套密码。

研究团队通过对新发现的 “间谍”蛋白序列进行比较分析,初步确定水稻感病基因OsSWEET13具有“接头人”嫌疑。接下来经过不同分子生物学实验的反复验证,确定该基因即为“间谍”的靶标基因“接头人”。同时发现该基因在启动子识别区域也存在十种不同类型。从而证明病原菌的效应蛋白“间谍”与水稻感病基因“接头人”之间呈现出一种协同进化关系。

在这一发现的基础上,课题组采用新兴的基因编辑技术,对“接头暗号”识别形成干扰,从而同时阻断多个细菌TALE蛋白“间谍”的破坏活动,最终获得广谱抗白叶枯病的水稻新种质,提出了阻断植物感病性而获得广谱抗病性的育种新途径。目前,专家正在将这一技术应用于优良杂交水稻亲本改良中,预计1—2年内可育成稳定遗传的品种,有望大大缩短杂交水稻育种年限。

栏目主编:徐瑞哲 文字编辑:彭德倩 题图来源:视觉中国 图片编辑:朱瓅
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