攻克马铃薯晚疫病曙光初现

抗性基因Rpi-vnt1.1对晚疫病的抗性具有轻度依赖性。南京农业大学供应图

晚疫病抗性基因的田间效应:左边是没有抗性基因的马铃薯品种，右边是有抗性基因的马铃薯品种。南京农业大学供应图

受马铃薯晚疫病感染，农田将在几天内变成“焦土”。

19世纪中叶，马铃薯晚疫病在欧洲流行，导致爱尔兰数百万人饿死。它被称为“爱尔兰饥荒”，反映了农作物安全生产对人类社会的深远影响。

100多年来，科学家们一直在与快速变异的马铃薯晚疫病作斗争。

4月14日，《美国国家科学院学报》在线发布了由南京农业大学作物病害研究小组牵头的最新研究结果。他们破解了识别马铃薯广谱抗病基因的分子机制，为未来绿色防控晚疫病提供了新的思路。

自然界残留的广谱抗晚疫病基因

马铃薯晚疫病是世界上最严重的植物病害之一，每年造成近百亿美元的经济损失。该文作者、南京农业大学教授董莎萌向《中国科学日报》描述说，马铃薯晚疫病的早期症状不明显，几天后进入中后期。“这块地就像被重新烧掉了一样，树叶都变黑了。马铃薯的茎和叶很快死亡，因为光合作用是不可能的。”

“马铃薯晚疫病是一种毁灭性的农作物疾病。目前，其控制主要依靠喷洒大量化学农药。南京农业大学植物保护学院院长王源超在接受《中国科学日报》采访时表示，培育和培育含有抗病基因的马铃薯品种是绿色防控晚疫病的重要环节，植物抗病基因是抵御病原菌的宝贵资源。

“然而，在抗病基因机制尚不清楚的情况下，抗病基因的频繁滥用导致了该领域大多数基因的失效，发现和保护广谱抗病基因已成为当务之急。”王源超说。

董莎萌在接受《中国科学》采访时表示，主要病害都有一个特点，即突变速度快，突变发生后，原有的抗病品种失去抗性。在过去100年左右的时间里，育种者培育了许多抗马铃薯品种，但一旦推广到大田生产，许多品种往往在5年内就失去了抗性

"目前，自然界中有少数罕见的广谱抗晚疫病基因。"王源超说，在最新研究中分析的抗病基因Rpi-vnt1.1就是其中之一。

据了解，该抗病基因已于2010年成功克隆。经批准上市后，携带该基因的马铃薯品种在北美大田生产中表现出良好的经济效益和生态效益。然而，该基因的分子机制尚不清楚，这限制了该基因的保护性开发和利用董莎萌说。

中国农业科学院农业基因组研究所的研究员黄三文告诉《中国科学》杂志，培育和应用转基因作物是目前最经济和环保的晚疫病控制手段。因此，挖掘和验证马铃薯种质资源及其野生近源种的抗晚疫病基因是近20年来马铃薯研究的重要课题之一。

叶绿体中的防御反击

董莎萌研究小组发现，经典抗性基因Rpi-vnt1.1(以下称为抗性基因)通过识别由晚疫病菌分泌的效应子AVRvnt1(以下称为效应子)介导对晚疫病的广谱抗性。“致病疫霉的效应子相对保守，不容易突变，这可能直接影响病原体的田间活性。这就是为什么病原体没有克服基因的抗性。”董莎萌说。

科学家们已经知道破坏叶绿体功能和引起植物病害是马铃薯晚疫病的主要感染途径之一。然而，董莎萌的研究小组证实，由抗病基因识别效应器产生的抗性功能是光依赖的。

董莎萌说叶绿体就像一个小工厂，有蛋白质分子的装配线，为植物生长产生能量和物质。叶绿体甘油酸激酶(GLYK，以下简称激酶)是不可缺少的一部分。

激酶遗传位点有一个光相关可变启动子选择(APS)调节机制，在不同的光条件下可以产生GLYKFL和GLYKcyt。GLYKFL是光照条件下的主要部分，因为它含有叶绿体信号肽，它分布在叶绿体中并维持其功能。GLYKcyt，另一个不含信号肽的部分，在无光条件下持续积累，由于不能进入叶绿体而缓慢降解。

胚效应器巧妙地用叶绿体信号肽攻击马铃薯GLYKFL，阻止激酶进入叶绿体，切断其正常运转，抑制光合作用，从而导致光条件下的植物病害。然而，这一过程可以被抗病基因准确识别，一系列免疫反应可以及时启动。

“当白天的光合作用很强时，病原体入侵就如火如荼，抗病基因认识到入侵后，病原体和病原体会战斗到死。叶绿体在夜间破裂，病原体停止活动，抗病基因感觉不到入侵，因此停止战斗。”董莎萌说。

期待对抗病机制进行更广泛的研究

在过去的六年里，董莎萌研究小组通过与英国和荷兰的一些科研机构的合作，破解了广谱抗病基因Rpi-vnt1.1的作用机制。

董莎萌说，目前，由于马铃薯和马铃薯晚疫病菌“许多遗传操作非常困难”，国际上对其致病机理和抗病机制的研究很少，了解也很有限。

王源超说，这一成果为今后这一抗病基因的科学开发和利用提供了重要的实践基础。预计通过减少化学农药的使用，食品安全将得到保证，主食马铃薯的国家战略将得到实施。

黄三文指出激酶同源基因的比较分析表明，编码蛋白的叶绿体信号肽在茄科植物中高度保守。激酶不仅在抗病基因控制的效应子诱导免疫中发挥重要作用，而且是茄科植物基础免疫的重要调节因子。

这表明可变启动子选择现象可能对植物抗逆性有广泛的影响，叶绿体在植物抗逆性中起着重要作用。这项工作的发现对后续研究晚疫病及其他作物的抗性机理具有积极的参考意义黄三文说。

然而，董莎萌强调，他们目前所了解的只是抗病机制的第一步。尚不清楚随后的免疫反应将如何依次激活，迫切需要更多的科学研究。

与此同时，除了通过叶绿体感染马铃薯之外，病原菌还会通过其他途径入侵植物。科学家需要进一步研究这些机制。

相关论文信息:https://doi.org/10.1073/pnas.2002759117