同日两篇Nature!杜克大学董欣年教授团队为水稻安上“免疫开关”

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生长在农田里的作物总是会受到病毒、细菌、或是真菌的侵袭,这就为农民们带来了一个两难问题——如果放任不管,作物的产量就会出现显著下降。如果喷洒农药来预防病害,农药本身又会带来一定的安全隐患。因此,数十年来,植物学家们一直在苦苦寻找能让植物天然耐病害的良方。

杜克大学董欣年教授是这两项研究的主要负责人之一(图片来源:杜克大学)


近日,杜克大学(Duke University)美国科学院院士兼美国文理科学院院士董欣年教授与其团队在《自然》上连续在线发表两篇论文,为水稻安上了一种“免疫系统开关”。它能在不影响作物产量的前提下,大大增强植物本身的免疫系统,并同时对抗多种病原体。在华中农业大学作物遗传改良国家重点实验室王石平教授课题组的协助下,这一技术的潜在应用价值也得到了确认。考虑到目前的大多数手段只能保护植物免受单种病原体的侵袭,这两项新的研究可以说是水稻抗病领域的巨大突破。


在生物学领域,能以多篇论文的形式同时登上《自然》杂志的研究并不多见(图片来源:《自然》)


看到这里,也许有些朋友会问:植物也有免疫系统吗?当然有!但植物的免疫系统与人类的免疫系统不大一样。人类通过血液循环,能将免疫细胞送至全身各处,对抗感染。植物则不然。它们的细胞表面有着一些受体存在,当这些受体检测到微生物释放的信号分子时,就会启动免疫反应,使植物产生一系列抗微生物的化学物质,以期消除感染。


反应快的朋友们也许已经想到,如果我们能激活促使这些化学物质分泌的基因,或许就能让植物一直保持超强的免疫力,做到百毒不侵。一劳永逸,岂不美哉?


植物学家们也是这么想的。在植物防御机制的研究领域,董欣年教授是最为出色的几名科学家之一。她的团队研究相关基因已经有了20多年的历史,并于1997年发现了一个叫做NPR1的基因。由于它能启动植物的系统获得性抵抗(可理解为广谱的免疫力),董欣年教授也将这个基因称为植物免疫的“主调节者”。

NPR1基因作为“主调节者”,能启动植物体内一系列“免疫反应”(图片来源:《自然》)


然而天不遂人意。后续的研究发现,如果NPR1基因一直处于激活状态,植物的生长就会受到严重影响。这很容易理解。拿人类做类比的话,在人的免疫系统高度活跃的时候,身体就会出现发高烧等反应,人体的机能自然会受到影响,植物也是。当植物的免疫系统被过度激活时,植物就长不好。“这会让植物长得很‘惨’,所以在农业上看,这不是很有用。”董欣年教授说。


为了能让NPR1这个主调节者发挥作用,研究人员需要给它安上一个开关,使它只有在植物遭受攻击的时候才“打开”,并在植物正常生长的时候进入“关闭”状态。可是,这样的开关要去哪里找呢?


在拟南芥(一种模式植物)中,董欣年教授的团队发现了一个有趣的现象:一种叫做TBF1的蛋白质会在植物启动免疫反应后快速产生,并启动下游的免疫通路。这种TBF1蛋白是如何做到“随叫随到”的呢?进一步的研究发现,这是由于植物能在感受到威胁的情况下,快速将TBF1的mRNA送去翻译,产生大量TBF1蛋白用于防御。这个特殊的现象背后,是编码TBF1的基因前一段特殊的DNA序列。它就好像是开关,让植物能够根据需要,启动TBF1这条防御通路。


华中农业大学王石平教授课题组协助验证了这个“免疫系统开关”的应用价值(图片来源:华中农业大学)


如果我们把这个开关装到NPR1基因前,会发生什么?


这正是董欣年教授团队与王石平教授团队所作出的重要贡献。研究人员发现,一旦NPR1基因前有了这个开关,这个关键基因就能在病原体感染植物时,大量启动NPR1蛋白的表达,起到抗病害的作用。而由于它的表达受病原体入侵的调控,在植物的正常生长中,NPR1并不会起到负面效果。短短一段DNA序列,解决了该领域20年来的难题。

野生型水稻(第一列)易受稻瘟病影响。带有“可控免疫系统”的水稻(第三列与第五列,uORFs)和免疫系统不受控的水稻(第二列与第四列,uorfs)都能抵抗稻瘟病,且抵抗水平接近。(图片来源:《自然》)


在试验田里,这套“免疫系统”的潜力得到了验证。研究人员发现,表达有这套“可控免疫系统”的水稻,在抗稻瘟病和真菌性疾病上,比野生型水稻展现出了更强的耐受力。在野生型水稻里,感染遍布整个叶片,而带有“可控免疫系统”的水稻,将病害控制在了很小的范围内。 “这些植物在田里长得非常好,并且健康没有受到明显损害。它们的谷粒数量和重量都没有明显的改变。”董欣年教授说。


加州大学河畔分校(University of California, Riverside)的植物学家Julia Bailey-Serres教授对此赞不绝口。她说:“我们的计算表明,这项研究能带来重大的影响。这套系统很容易能被应用到其它作物中,而且能同时针对真菌和细菌两大病原体。

这项研究在水稻抗病害领域有着重要的意义(图片来源:华中农业大学)


“自从我在这个领域工作以来,人们就挠破头皮,想要找到仅仅在需要时才启动的植物防御机制,”英国诺维奇塞恩斯伯里实验室(Sainsbury Laboratory in Norwich)的植物抗病专家Jonathan Jones教授兴奋地评论说:“这是领域内我见过的最具有潜力的研究之一。


尽管这批能抗病的植物还没在全球得到大规模推广,但Jones教授已经迫不及待看到它更广泛的应用。“希望50年后,我的孙子孙女们会不解地问我,爷爷,以前人们还在用农药来控制植物病害吗?”Jone教授说:“这就是我们想抵达的目标。”


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