【中国科学报】PNAS | 南农团队揭示马铃薯晚疫病广谱抗病基因作用机制

19世纪中叶，马铃薯晚疫病在欧洲大流行，并导致爱尔兰上百万人饿死，史称“爱尔兰大饥荒”，折射出农作物安全生产对人类社会的深刻影响。

时至今日，马铃薯晚疫病依然是世界范围内最严重的植物病害之一，每年造成近百亿美元的经济损失。

论文通讯作者、南京农业大学教授董莎萌向《中国科学报》描述，马铃薯晚疫病早期症状不明显，只有灰色小斑点，染病几天之后就进入中晚期，“大田里就像被火烧过一遍，叶子都是焦黑的。由于无法进行光合作用，马铃薯茎叶很快就枯死了”。

“马铃薯晚疫病是一种毁灭性作物病害，常年肆虐全球各国的马铃薯产区。目前防治晚疫病主要依赖喷施大量化学农药。”南京农业大学植物保护学院院长王源超告诉《中国科学报》，选育和栽培含有抗病基因的马铃薯品种是晚疫病绿色防控的重要环节，植物的抗病基因和医学上的抗生素一样，都是我们抵御病菌的宝贵资源。

“然而在不清楚抗病基因作用机制的情况下，频繁滥用抗病基因已造成多数基因在田间失效。随着马铃薯抗病基因陆续被晚疫病菌克服，全球抗病基因资源也日益匮乏，发掘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《中国科学报》采访时说，重大病害都有一个特点，就是变异速度很快，马铃薯晚疫病也是如此。当它发生突变之后，原来的抗病品种就失去了抗性。

“过去近100多年，育种家选育了很多马铃薯抗病品种，但是一旦推广到大田生产，很多品种往往撑不过5年就丧失了抗性。”董莎萌说。

“目前，自然界中尚存少量珍稀的广谱抗晚疫病基因。”王源超说，在最新研究中解析的抗病基因Rpi-vnt1.1就是其中之一。

据了解，该抗病基因于2010年克隆成功，当年就申请专利和上市，并于2015年3月20日被美国FDA批准上市。

携带该基因的马铃薯品种在北美大田生产中已展示出良好的经济和生态效益。

晚疫病抗病基因的田间效果：左边为不含抗病基因马铃薯品种，右边为含有抗病基因马铃薯品种。南京农大供图

“然而该基因的作用分子机制尚不清楚，制约了该基因的保护性开发与利用。”董莎萌说。

中国农业科学院农业基因组所研究员黄三文告诉《中国科学报》，培育和应用具有遗传抗性的作物品系是目前最为经济环保的晚疫病防治手段。

因此，对马铃薯种质资源及其野生近源物种中晚疫病抗性基因的挖掘和验证，是过去20余年马铃薯研究中最为重要的课题之一。 

黄三文介绍，目前已知的晚疫病主效抗性基因均编码了富亮氨酸重复的核苷酸结合蛋白，并通过识别晚疫病菌分泌到植物细胞中的效应子激发下游的免疫反应，阻止晚疫病继续侵染和扩散，实现植物效应子激发的免疫。

董莎萌课题组发现，经典抗性基因Rpi-vnt1.1（以下简称抗病基因）也存在上述机制。

它通过识别晚疫病菌分泌的效应子AVRvnt1（以下简称效应子）介导对晚疫病的广谱抗性。

抗病基因Rpi-vnt1.1对晚疫病的抗性具有光依赖性。南京农大供图

“晚疫病菌中该效应子相对保守，不易发生变异，可能因其突变直接影响病菌的田间活力。这就是该基因的抗性一直没有被病菌克服的原因。”董莎萌说。

科学家已经知道，破坏叶绿体功能导致植株生病是马铃薯晚疫病主要的侵染途径之一。

而董莎萌课题组证实，抗病基因识别效应子产生的抗性功能具有光依赖性。

董莎萌说，叶绿体就像一个小工厂，里面有蛋白质分子组成的流水线，经过一系列操作产生供植物生长的能量和物质。

叶绿体甘油酸盐激酶（GLYK，以下简称激酶）也是流水线上一个不可或缺的零件。

董莎萌课题组“细致地捕捉到抗病基因功能在无光环境下会显著减弱，且这一现象仅特异存在于该抗病基因对效应子的识别过程当中”。黄三文说。

激酶遗传位点上存在着具有光依赖性的可变启动子选择（APS）调控机制，可在不同光条件下生成GLYKFL和GLYKcyt两种零件。

其中GLYKFL在光照条件下为主要零件，因为含有叶绿体信号肽，所以分布于叶绿体内并维持叶绿体功能；而另一种不含信号肽的零件GLYKcyt在无光条件下不断积累，由于进不了叶绿体而被慢慢降解。

这原本是植物应对荫蔽反应的一种适应性机制。

但病菌效应子很聪明地攻击具有叶绿体信号肽的马铃薯GLYKFL，通过阻遏激酶进入到叶绿体，切断叶绿体流水线的正常运转，光合作用因此被遏制，进而导致植物在光照条件下感病。

但这一过程却能被抗病基因精确地识别出来，及时启动一系列免疫反应。

“白天光合作用旺盛的时候，病菌的入侵干得热火朝天，抗病基因识别出入侵后和病菌打得你死我活；等到晚上叶绿体休息的时候，病菌偃旗息鼓，抗病基因感知不到入侵从而也休战。”董莎萌说。

历时6年，董莎萌课题组通过与英国、荷兰多家科研单位合作，破解了广谱抗病基因Rpi-vnt1的作用机制。

“目前，国际上马铃薯晚疫病抗病基因作用机理的研究目前还不多。”董莎萌说，主要因为马铃薯晚疫病菌和马铃薯在“很多遗传操作上非常困难”，因此对其致病、抗病机理了解得非常有限。

王源超说，这一成果为今后科学开发与利用这一抗病基因提供了重要的实践依据，有望通过减施化学农药，保障食品安全，服务国家马铃薯主食化战略。

黄三文则指出，对激酶同源基因的比对分析发现，其编码蛋白的叶绿体信号肽在茄科植物中高度保守。

植物在不同环境下产生了不同的激酶产物，由此决定了抗病基因的功能。南京农大供图

激酶不仅在经典抗病基因主导的效应子激发免疫中具有重要功能，而且在茄科植物的基础免疫中同样是重要的调控因子。

“这揭示了可变启动子选择现象在植物抗逆过程中可能存在广泛影响，以及叶绿体在植物抗逆过程中扮演的重要角色。该工作的发现对后续的晚疫病抗性机制乃至其他作物的抗病机制研究都具有积极的借鉴意义。”黄三文说。

不过，董莎萌强调，目前他们搞清楚的只是抗病机制的第一步，后面的免疫反应如何依次启动尚不了解，亟待展开更多科学研究。

同时，除了通过叶绿体侵染马铃薯，病原菌还会通过一些其他途径入侵植株，这些机制也尚待科学家深入研究。 

相关论文信息：

https://doi.org/10.1073/pnas.2002759117 

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/XIJY2VvmosezT3t0EdSfzw