以“衛青”之名，不教根腫病“度防線”

西漢時，名將衛青將對匈奴的防線推至陰山山脈一線，讓匈奴不敢進犯黃河河套地區。現在，中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民、陳宇航合作團隊，在野芥菜中挖掘到一個廣譜抗根腫病基因，并將其命名為“衛青”。

根腫病堪稱十字花科作物的“絕癥”。根腫菌休眠孢子在土壤中可存活20年之久，耕地一旦被污染，將無法繼續種植這類作物。每年我國根腫病發病面積達4800萬~6000萬畝。“這不僅會給農戶帶來了經濟損失，也對我國有限的耕地面積帶來極大壓力。”周儉民對《中國科學報》說。

研究團隊不僅克隆了基因“衛青”，還闡明了其圍堵根腫病的作用機制。相關研究6月8日發表于《細胞》。該刊多位審稿人認為，這是一項“令人印象深刻”的研究，具有廣闊的應用前景。

 大田生長的油菜。安徽農科院研究員胡寶成供圖

尋找“制敵能手”

每年春季，蕩漾著金色花海的油菜田總會成為許多游客的打卡地。不過，人們目力所不及的地下，油菜正遭受不斷蔓延的“大頭病”的威脅。

2016年，周儉民到四川參加一次學術會議，同樣研究植物病害的四川農業大學教授黃云告訴他：“被根腫菌感染的油菜，根系會長出‘腫瘤’，讓植物無法吸收養分，生長遲緩或枯死。”

中國是油菜種植大國，總產量約占世界的30%，居世界第一位。據國家統計局數據，2021年，我國油菜種植面積超過一億畝。

然而，周儉民在與油菜抗病遺傳育專家、華中農業大學植物科學技術學院教授張椿雨交流時了解到，每年我國油菜的根腫病發病面積達到2000萬畝左右。一旦發病，一畝油菜的損失可以達到50%左右甚至更高。這相當于每畝直接經濟損失超400元，折下來每年僅油菜就會造成數十億元的損失。

讓問題更嚴峻的是，作物即便染病枯死，其“腫瘤”還會釋放出根腫菌休眠孢子，在土壤里生活20年，無法種植。

除了油菜，白菜、蘿卜、甘藍、花椰菜等常見十字花科作物也都受到這種毀滅性土傳病害的威脅。

遺憾的是，周儉民告訴記者，目前根腫病仍“基本無藥可治”。傳統田間管理辦法是撒石灰，但只能解決一時的問題，無法根治，且會導致土壤板結。

在國際上，盡管已有科學家從歐洲蕪菁中挖掘出一些根腫病抗病基因，并用其雜交轉育油菜、白菜等農作物實現根腫病防治，但田間根腫菌混生且變異豐富，抗病基因往往表現出菌株特異性，且機制研究薄弱。張椿雨團隊已經在田間分離到了可讓部分抗根腫病基因失效的新變異菌株。

能否找到對付新毒性菌株的廣譜性新基因呢？

周儉民與合作者從國外收集到的200多份野芥菜中分離鑒定到一個高抗根腫病基因，并將其命名為“衛青”。

據介紹，這個“制敵將領”可編碼一個從未報道過的蛋白。研究團隊將其導入油菜后不僅表現出良好的抗性，生長發育也完全正常。他們發現該基因在包括現有抗性品種上表現出高致病力的菌株，表明這是一個廣譜抗性基因。

受到根腫病侵害的油菜根部腫大癥狀。四川農業大學副教授楊輝供圖

“衛青”這樣克敵

那么，“衛青”如何制敵呢？

周儉民團隊和陳宇航團隊分別通過細胞生物學、分子生物學、冷凍電鏡、電生理等方法，揭開了其中的秘密。

不同于大多數植物病原體在植物細胞間“偷取養分”的方式，根腫菌狡猾的是，它會鉆入植物細胞內繁殖。尤其有害的是，根腫菌會在“根芯”——中柱內安營扎寨，刺激寄生細胞不斷膨大以幫助其瘋狂繁殖，這也是形成“大頭病”病癥的原因。隨著病程發展，植物根系組織被破壞，無法吸收養分，導致植物生長緩慢或死亡。

周儉民團隊發現，“衛青”平常并不表達，只有在發現敵情時，才在被稱為中柱鞘的一層特殊細胞內表達，這層細胞在中柱外圍形成一道防線，阻斷根腫菌向中柱內的入侵。

 “衛青”編碼的蛋白定位于內質網。陳宇航團隊發現，“衛青”是一個新型的離子通道，將內質網中的鈣離子釋放到細胞質，以此在植物細胞中拉響病菌入侵的“警報”，開啟防衛反應。

“名將衛青抗擊匈奴入侵是將陰山作為防守線，防止匈奴入侵河套平原。與此類似，植物中柱內傳遞養分的維管束系統就像傳承農耕文明的河套平原，而‘衛青’蛋白裝配成為內質網的鈣離子通道來發揮‘烽火臺’的作用。”該論文共同通訊作者陳宇航打比方解釋。

“當監測敵情到來時，鈣離子就從內質網釋放出來，如同烽火被點燃一樣傳遞‘軍情’。這樣一來，鈣信號激活植物免疫應答過程，從而在中柱的外鞘形成一道防線，抵御病原菌入侵‘河套平原’。”他說，這也是課題組將其命名為“衛青”的原因。

據悉，這也是科學家在植物中首次發現胞內的鈣離子釋放通道，可響應病原菌入侵激活鈣信號和免疫應答。“這是一項極為有趣的研究。”一位國際審稿人認為，研究者打破學科壁壘，利用遺傳學、生物化學、結構生物學及生理學等多種方法，闡釋了抗根腫病基因的發揮作用的分子機制。

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WTS的作用機制。WTS編碼定位于內質網的鈣離子通道，通過介導鈣釋放觸發下游免疫反應，抵御根腫菌的入侵、保護植物維管束系統。研究團隊供圖

大有用武之地

自二十個世紀二十年代在我國臺灣和福建地區發現根腫病以來，我國根腫病的發生面積不斷增加。尤其是近年來，隨著農業機械化的不斷發展，根腫病在我國呈快速蔓延的趨勢，目前發生面積約占全國十字花科作物種植面積的30%。

為了驗證“衛青”的可靠性，周儉民團隊使用張椿雨團隊提供的高毒性新變異菌株進行檢測，發現新基因可“降服”這種變異菌株的入侵。

當前在全球，通過生物育種實現作物抗病、高產方興未艾。周儉民希望，未來可以通過生物育種把“衛青”更精準地導入油菜等十字花科作物中，為我國抗病基因育種提供更多選擇。

據介紹，這項研究前后花費了7年時間，克服了研究中基因驗證困難、蛋白片段小、膜蛋白不穩定等，導致機制分析難以開展等諸多問題。“就像新能源汽車一樣，只有我們把核心的技術產品準備好了，才能在國家生物育種相關政策放開的時候，迅速地為產業提供技術支撐。”周儉民說。

周儉民團隊長期研究植物免疫機制。2019年到2021年該團隊曾與清華大學研究員柴繼杰等團隊合作，在國際上首次發現了植物抗病小體并闡明了其激活免疫的核心機制，解決了困擾植物免疫領域二十多年的難題。如今，他和合作者正把目光聚焦向油菜根腫病、水稻稻瘟病、獼猴桃潰瘍病等實際農業問題，希望通過基礎科學研究為農業增收提供助力。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.05.023