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研究人員找到水稻抗病開關(guān)。圖片來源：華中農(nóng)大
農(nóng)民通常會向農(nóng)田噴灑農(nóng)藥，以抵御病毒、細(xì)菌或真菌的侵襲。但農(nóng)藥本身會存在一定的安全隱患。因此，數(shù)年來，植物學(xué)家一直在尋找擺脫這些化學(xué)品，讓植物能自然抗病害的方法。
但迄今為止，大部分成果僅能抵御單一疾病。不過，美國杜克大學(xué)植物生物學(xué)家董欣年團隊為水稻安上了一種“免疫系統(tǒng)開關(guān)”。它能在不影響作物產(chǎn)量的前提下，大大增強植物本身的免疫系統(tǒng)，并同時對抗多種病原體。研究人員近日在《自然》上連續(xù)在線發(fā)表了兩篇論文。
“自從我進(jìn)入該領(lǐng)域以來，人們就在絞盡腦汁尋找如何在需要的時間和地點激活一個免疫系統(tǒng)。”英國塞恩斯伯里實驗室植物防御機制專家 Jonathan Jones 說，“這個新研究是我知道的該領(lǐng)域zui有希望的成果之一。”
植物的免疫系統(tǒng)與人類的免疫系統(tǒng)不同。植物沒有血液循環(huán)將免疫細(xì)胞送至全身各處以對抗感染。相反，它們的細(xì)胞表面有著一些受體存在，當(dāng)這些受體檢測到微生物釋放的信號分子時就會啟動免疫反應(yīng)，使植物產(chǎn)生一系列抗微生物的化學(xué)物質(zhì)，以消除感染。
20 年來，董欣年一直致力于研究植物防御“主調(diào)節(jié)器”基因。這個基因名為 NPR1，在模式植物擬南芥研究中十分普遍。由于它能啟動植物的系統(tǒng)獲得性抵抗（廣譜免疫力），也被稱為植物免疫的“主調(diào)節(jié)者”，并已成為科學(xué)家試圖提高水稻、小麥、蘋果、番茄等植物免疫系統(tǒng)的廣泛目標(biāo)。
但如果 NPR1 基因一直處于激活狀態(tài)，植物的生長就會受到嚴(yán)重影響。“這會讓植物長得很‘慘’，所以在農(nóng)業(yè)上不是很有用。”董欣年說。
為了找出原因，研究人員考慮了人類免疫系統(tǒng)。在人的免疫系統(tǒng)高度活躍時，免疫系統(tǒng)過載，身體就會出現(xiàn)發(fā)高燒等反應(yīng)，人體的機能自然會受到影響。同樣的，當(dāng)植物的免疫系統(tǒng)被過度激活時，植物就長不好。
于是，為了能讓 NPR1 發(fā)揮作用，研究人員需要給它裝上一個更好的開關(guān)，使它只有在植物遭受攻擊時才“打開”，并在植物正常生長時“關(guān)閉”。董欣年團隊與合作者、中國華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研究人員正是發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用了這一機制。
在擬南芥研究中，董欣年團隊發(fā)現(xiàn)一種叫做 TBF1 的免疫激活蛋白質(zhì)會通過復(fù)雜過程迅速激活植物的免疫系統(tǒng)響應(yīng)。但 TBF1 是如何隨時開啟免疫系統(tǒng)的？秘密可能在于植物在感受到威脅的情況下，會快速準(zhǔn)備好一種編碼 TBF1 的信使 RNA，并將這些分子快速轉(zhuǎn)譯成 TBF1 蛋白質(zhì)，然后啟動一系列免疫防御機制。
很快，董欣年意識到，這段特殊的 DNA 序列——“TBF1 暗盒”，好像是控制植物免疫系統(tǒng)響應(yīng)的開關(guān)。因此，研究人員從擬南芥基因中復(fù)制了“TBF1 暗盒”，并將其黏在水稻 NPR1 基因的前方。
結(jié)果顯示，一旦 NPR1 基因前有了這個開關(guān)，就能在病原體感染植物時，大量啟動 NPR1 蛋白的表達(dá)，起到抗病害的作用。而由于它的表達(dá)受病原體入侵的調(diào)控，在植物的正常生長中，NPR1 并不會起到負(fù)面效果。
研究人員發(fā)現(xiàn)，表達(dá)這套“可控免疫系統(tǒng)”的水稻，其抗稻瘟病和真菌性疾病的能力比野生型水稻更強。在野生型水稻里，水稻白葉枯菌和葉條斑病等入侵者能感染整個葉片，而帶有“可控免疫系統(tǒng)”的水稻，能將病害控制在很小范圍內(nèi)。“這些植物在田里長得非常好，健康且沒有受到明顯損害。它們的谷粒數(shù)量和重量都沒有明顯改變。”董欣年說。
未參與該研究的北卡羅萊納大學(xué)教堂山分校植物免疫系統(tǒng)專家 Jeff Dangl 表示，該研究有朝一日會成為發(fā)展中國家農(nóng)民的福祉。例如，水稻瘟病每年會使水稻減產(chǎn) 30%。“在發(fā)展中國家，當(dāng)農(nóng)民無法負(fù)擔(dān)殺滅真菌藥劑時，他們可能顆粒無收。”Dangl 說。
加州大學(xué)河畔分校植物學(xué)家 Julia Bailey-Serres 對此贊不絕口。她說：“我們的計算表明，這項研究能帶來重大的影響。這套系統(tǒng)很容易被應(yīng)用到其他作物中，而且能同時針對真菌和細(xì)菌兩大病原體。”
盡管這批能抗病的植物還沒在得到大規(guī)模推廣，但 Jones 希望看到它更廣泛的應(yīng)用。“希望 50 年后，我的孫子孫女會不解地問我，‘爺爺，以前人們還在用農(nóng)藥控制植物病害嗎？’這就是我們想實現(xiàn)的目標(biāo)。”Jones 說。
