如何攻克“棉花癌癥”？首次發(fā)現(xiàn)跨界抗病新途徑

作者：郭惠珊 中國科學(xué)院微生物研究所 研究員、博士生導(dǎo)師

什么是“棉花癌癥”？我們?nèi)绾喂タ怂?？棉花是我國種植面積最大的經(jīng)濟作物。國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國棉花栽培面積約5000萬畝，其中約3700萬畝在新疆，產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的22.4%。我國也是世界棉花第一大消費國，棉花消費存在較大的缺口；由大麗輪枝菌造成的棉花黃萎病，更加劇了供給的不平衡。在我國每年棉花黃萎病的發(fā)病面積超過2000萬畝，數(shù)量巨大，直接和間接經(jīng)濟損失超百億元。

作物黃萎病的可持續(xù)防控一直以來都面臨巨大挑戰(zhàn)。黃萎病的防控困境究其原因，主要有以下幾點：

首先，與氣傳病害（如侵染葉子的真菌）不同，大麗輪枝菌生活在土壤中（侵染植物的根部），從根部侵染并擴展到整株棉花，在棉花的維管系統(tǒng)中快速繁殖，隨著棉花萎蔫死亡，大量病原菌又進入土壤等待下一年的侵染。由于這種特殊的生境讓農(nóng)藥“鞭長莫及”，因此農(nóng)藥對棉花黃萎病防控效果不佳，長期大量使用農(nóng)藥會導(dǎo)致大麗輪枝菌產(chǎn)生抗藥性，農(nóng)藥殘留還污染環(huán)境威脅人類身體健康。

另外，大麗輪枝菌不但能從帶菌的秸稈就地傳播，帶菌的種子隨著種子的調(diào)配和銷售，便可能出現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳播。而且大麗輪枝菌能夠形成具有很強抗逆性的休眠結(jié)構(gòu)—微菌核，微菌核可以在沒有植物的情況下存活10年以上，所以一旦定植（在土壤中存在）就很難徹底根除，造成長期以來以輪作倒茬為代表的農(nóng)業(yè)防治措施效果并不理想。盡管水旱輪作對黃萎病的防控效果明顯，但我國水稻種植和棉花種植區(qū)域重合度很低，并不具備實操性。

眾所周知，以作物黃萎病為代表的土傳病害，最經(jīng)濟有效的防控手段就是利用抗病品種，通過雜交或者基因工程技術(shù)在作物中高表達抗病基因，提高作物抗性，以獲得抗黃萎病的新種質(zhì)。然而以棉花為代表的40年抗黃萎病育種的實踐表明，占全球種植面積80%以上的陸地棉中缺乏抗原。因此，抗原依賴型的傳統(tǒng)育種或者抗病基因依賴性的分子育種進展并不盡如人意。

既缺乏抗原又無藥可治，長期以來棉花黃萎病就被學(xué)界和民間稱為“棉花癌癥”。因此，棉花黃萎病的防控至今仍然面臨著較大挑戰(zhàn)。

既然棉花缺乏抗黃萎病種質(zhì)資源，傳統(tǒng)育種提高抗性的路子走不通，那么，我們能否轉(zhuǎn)變思路，通過抑制大麗輪枝菌的致病性來減低病害呢？ 核酸干擾（RNAi）可能就是不二的選擇。RNAi是一種調(diào)控基因表達的保守機制，存在于動物、植物和真菌細(xì)胞中。RNAi的含義，簡單地說就是外源導(dǎo)入的核酸片段，可以抑制具有同源序列的內(nèi)源基因的表達。它是由雙鏈RNA誘導(dǎo)產(chǎn)生的基因沉默現(xiàn)象：雙鏈RNA首先被加工成短的RNA，約包含20-24 個核苷酸（堿基）的長度，被稱為小RNA；小RNA通過堿基配對原則，識別靶標(biāo)基因RNA，造成其降解從而破壞其功能作用。而在2016年發(fā)表的的研究中，我們發(fā)現(xiàn)作物和真菌間存在跨界RNAi，也就是說，棉花能夠?qū)⒆陨肀Ｊ氐?strong>miRNA傳遞到大麗輪枝菌細(xì)胞，剪切大麗輪枝菌致病基因。

這種植物-真菌跨界RNAi”（跨界核酸干擾）的發(fā)現(xiàn)是在國際上首次報道的天然存在的基于RNA水平的免疫途徑。不但為宿主誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)，也豐富了植物-真菌互作理論；并使研究人員從主要關(guān)注蛋白介導(dǎo)的免疫研究，開始關(guān)注RNA水平的免疫調(diào)控。

2016年6月，我們就根據(jù)跨界RNAi的原理設(shè)計出了雙鏈RNA，進行棉花轉(zhuǎn)化，就是給棉花裝備上了功能小RNA，這樣一旦感染上大麗輪枝菌，小RNA就會進入病原菌降解其毒性RNA，減低致病性，就相當(dāng)于提高了棉花的抗病性。這種技術(shù)被稱為“宿主誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)”（Host-Induced Gene Silencing，HIGS）。到目前為止，經(jīng)過多年的檢測，與受體對照棉花相比，我們培育的抗黃萎病棉花（RNAi棉花）在實驗室和病圃中都表現(xiàn)出良好的抗病性。

我們建立的抗黃萎病棉花培育技術(shù)，擺脫了抗病品種資源的限制。但是，棉花以及很多作物缺少成熟的遺傳轉(zhuǎn)化體系，轉(zhuǎn)化周期長，限制了利用宿主誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)抗病育種的推廣。因此，我們進一步探索基于RNAi開發(fā)不依賴作物轉(zhuǎn)化的新型作物病害防控技術(shù)。在2023年8月最新的研究中，我們發(fā)現(xiàn)作物根際真菌間存在種間RNAi。在此基礎(chǔ)上，我們將有益微生物作為底盤菌株，合成靶向病原微生物的雙鏈RNA，創(chuàng)建了微生物誘導(dǎo)的基因沉默病害防控技術(shù)。與底盤菌株相比，我們構(gòu)建的工程菌株，對棉花和水稻土傳病害都表現(xiàn)出更強的抗性。微生物誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)避免了植物遺傳轉(zhuǎn)化，擺脫了作物缺少成熟遺傳轉(zhuǎn)化體系的束縛。這種高效、靶向性強且環(huán)境友好型生物農(nóng)藥，必將有助于解決現(xiàn)有的農(nóng)藥不能滿足防控棉花黃萎病的需求。

生命科學(xué)的基礎(chǔ)理論的研究和發(fā)展多有賴于研究技術(shù)體系的建立和完善。人工miRNA體系的創(chuàng)立，不但為特定小RNA的功能研究，如植物自身miRNA的功能解析，提供了重要的實驗技術(shù)體系；也為 “植物-真菌跨界RNAi”的天然免疫通路的發(fā)現(xiàn)、并因此而發(fā)展的“宿主誘導(dǎo)的基因沉默技術(shù)”提供了科學(xué)的驗證手段。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：郭惠珊 中國科學(xué)院微生物研究所 研究員、博士生導(dǎo)師

審核：葉盛 北京航空航天大學(xué)醫(yī)學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院 教授

出品：中國科協(xié)科普部

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