“誘餌模式”
——新型植物防御系統(tǒng)

編輯|孫潔

“誘餌模式”
——新型植物防御系統(tǒng)

編輯|孫潔

2017年1月12日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教授王源超研究組在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于作物疫病發(fā)生機(jī)制的突破性成果，揭示了病原菌攻擊宿主的全新致病機(jī)制——“誘餌模式”。這是人類首次在更精準(zhǔn)的層面認(rèn)識(shí)這類嚴(yán)重危害植物的病原菌分子機(jī)理，為改良農(nóng)作物的持久抗病性提供了新方向。 團(tuán)隊(duì)的研究圍繞疫霉菌“攻擊”和植物“抵抗”的過程與規(guī)律而展開，這塊曾經(jīng)在學(xué)科領(lǐng)域內(nèi)被認(rèn)為不容易出成果的“硬骨頭”，如今被這個(gè)12個(gè)人的團(tuán)隊(duì)“啃”了下來。有報(bào)告顯示，近5年，作物疫病領(lǐng)域發(fā)表在影響因子10以上學(xué)術(shù)雜志的18篇論文中，該團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)了5篇。

“我的研究對(duì)象是疫霉菌，就是一種病原菌，”他解釋，“就像人一樣，從嬰兒期怎么發(fā)育、怎么樣侵染植物、怎么樣致使植物發(fā)病?！庇捎谏婕暗拇蠖嗍侵参锱c病菌相互作用的分子機(jī)制，很多學(xué)生特別是本科生，覺得課程晦澀枯燥，提不起興致。王源超介紹，疫霉菌是一類極其特殊的生物，是個(gè)冷門，其他模式真菌遺傳學(xué)的研究手段基本用不上。技術(shù)上，國際上還沒有啟動(dòng)疫霉菌的基因組測序，所以遺傳轉(zhuǎn)化的研究有很大的難度。研究難、見效慢，加之這類病菌一般不會(huì)侵染水稻、小麥等作物，申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)也不容易。

2008年，云南省爆發(fā)了大面積的馬鈴薯晚疫病。受農(nóng)業(yè)部委托，王源超到云南等地考察。馬鈴薯晚疫病是由疫霉菌引起的一種毀滅性病害，它會(huì)導(dǎo)致馬鈴薯莖葉死亡和塊莖腐爛。19世紀(jì)40年代，歐洲發(fā)生過多次馬鈴薯晚疫病大流行，馬鈴薯田大片絕收，上百萬人餓死，200多萬人流離失所。此后，晚疫病就像是馬鈴薯的癌癥一樣從未根絕。在云南省尋甸回族彝族自治縣，王源超站到一處山頭上，田里的景象讓他驚呆了，“就像大火燒焦過的一樣慘不忍睹。”他看到，當(dāng)?shù)匾妥濉⒐嶙宓睦习傩毡持窨鹋俚?，扒出來的馬鈴薯很多都被晚疫病感染了。拿回去也沒用，兩三天里就爛掉，只好丟在田里。王源超將染病的薯塊帶回了實(shí)驗(yàn)室，他想，是不是可以從薯塊里發(fā)現(xiàn)病原菌的“苗頭”。

從云南回來后，王源超將從一片又一片枯焦染病的山頭所照的照片放給學(xué)生看，將危害的程度、損失的數(shù)據(jù)講給學(xué)生聽。要從根本上防控晚疫病的發(fā)生，就需要對(duì)疫霉菌怎樣侵染植物有進(jìn)一步的研究。傳統(tǒng)的研究方向是從作物入手，鑒定植物的抗病基因，研究如何“抵抗”。2009年以后，隨著國際疫霉菌基因組測序的完成，王源超意識(shí)到，可以從疫霉菌基因組入手，研究它都是用什么樣的“武器”進(jìn)行攻擊。

2011年，王源超課題組與美國同行合作，發(fā)現(xiàn)了疫霉菌在攻擊植物的早期，病原菌可以通過分泌蛋白的相互協(xié)作，以團(tuán)隊(duì)作戰(zhàn)的方式破壞植物的免疫系統(tǒng)，這項(xiàng)研究成果以封面文章發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《植物細(xì)胞》。王源超預(yù)感，該領(lǐng)域?qū)⒊蔀橐粔K肥沃的科研領(lǐng)地。

最新的故事是，這次通過對(duì)疫霉菌的研究，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在入侵植物的早期，疫霉菌向細(xì)胞外分泌糖基水解酶XEG1攻擊植物細(xì)胞壁，而植物則利用水解酶抑制子GIP1抑制其活性。該成果第一作者馬振川博士打了個(gè)比方：糖基水解酶XEG1相當(dāng)于疫霉菌攻擊植物的“常規(guī)導(dǎo)彈”。導(dǎo)彈來了植物會(huì)啟用自身的防御系統(tǒng)水解酶抑制子GIP1抵御攻擊。但是，疫霉菌又會(huì)進(jìn)化出“假彈頭”糖基水解酶XEG1的失活突變體XLP1。“假彈頭”雖然沒有攻擊性，但它和植物抑制子GIP1的結(jié)合能力高出XEG1約 5倍，因此可以充當(dāng)“誘餌”把作物防御系統(tǒng)的主要“兵力”吸引過去，從而保護(hù)“真彈頭”XEG1乘虛而入。

由于糖基水解酶XEG1在卵菌、真菌和細(xì)菌中都廣泛存在，因此這一發(fā)現(xiàn)為開發(fā)能誘導(dǎo)植物廣譜抗病性的生物農(nóng)藥提供了重要的理論基礎(chǔ)。