“百毒不侵”的水稻，如何煉成

半月談?dòng)浾?董 雪

在超市菜市選購(gòu)果蔬時(shí)，長(zhǎng)輩往往會(huì)傳授經(jīng)驗(yàn)——“有疤的水果甜一些”。這樣的“疤”一部分就是植物抗病害侵襲的“徽章”。實(shí)際上，為解決植物病害問(wèn)題而探究植物免疫，一直是生命科學(xué)與農(nóng)學(xué)極其重要的工作。尤其是攸關(guān)億萬(wàn)人糧食安全的糧食作物，病害問(wèn)題更是非同小可。我國(guó)人民飯碗的頭號(hào)主糧——水稻，就是一種病害方面不那么“讓人省心”的作物。有沒(méi)有可能，煉成一種“百毒不侵”的水稻呢?

植物是如何抗病的

植物免疫系統(tǒng)由兩道防線組成。如浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院求是特聘教授鄧一文所言，第一道防線的“主角”是細(xì)胞表面的感受器，它們識(shí)別出病原菌后會(huì)產(chǎn)生基礎(chǔ)抗病性，但容易被病原菌分泌的毒性蛋白突破;第二道防線則由細(xì)胞內(nèi)的感受器主導(dǎo)，它們識(shí)別出毒性蛋白后激活免疫反應(yīng)，可賦予植物強(qiáng)抗病性，就如同在細(xì)胞內(nèi)召喚出抗病“超級(jí)戰(zhàn)士”。相較而言，第二道防線更為關(guān)鍵，但這種免疫反應(yīng)依賴(lài)于植物細(xì)胞內(nèi)特定種類(lèi)的感受器，如何充實(shí)這些神奇感受器的“隊(duì)伍”是目前作物抗病育種和病蟲(chóng)害防治一道難度頗大的“必答題”。

植物細(xì)胞雖小，奧秘卻無(wú)窮。想要摸清其中有多少滿足人類(lèi)期待的感受器，不比大海撈針容易。有沒(méi)有別的思路?

在研究生命科學(xué)界經(jīng)典模式植物擬南芥時(shí)，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員萬(wàn)里團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞內(nèi)一種名為T(mén)IR蛋白的感受器可以生成一類(lèi)奇妙的小分子，它們有可能在植物體內(nèi)被轉(zhuǎn)化為免疫小分子，進(jìn)而形成免疫復(fù)合體。

更妙的是，將這類(lèi)小分子噴灑在植物表面即可誘導(dǎo)強(qiáng)抗病性，也就是說(shuō)，雖然沒(méi)有特定病原菌侵染，僅憑我們的主觀意愿，人類(lèi)也可將植物細(xì)胞中抗病“超級(jí)戰(zhàn)士”的召喚變?yōu)橐粋€(gè)自主可控的過(guò)程。

位于松江的水稻抗病研究基地 董雪 攝

抗病與高產(chǎn)，一對(duì)反義詞?

作為我國(guó)主要糧食作物的水稻，也是我國(guó)植物抗病研究最為關(guān)切的作物之一。要想讓水稻走好從種子入土到高產(chǎn)豐收的一生，人類(lèi)就要設(shè)法幫它擋下多種病原體的威脅。畢竟，與水稻糾纏不休的病原體，種類(lèi)可是相當(dāng)繁復(fù)。

那么，剛剛提到的TIR蛋白，能不能在水稻細(xì)胞里找到呢?答案還真是肯定的。而且，中國(guó)科學(xué)家已經(jīng)能在基因?qū)用姘堰@個(gè)問(wèn)題研究得更細(xì)致——中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員何祖華團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十余年的努力，找到了水稻免疫抑制基因ROD1，該基因如能突變，就有望顯著提高水稻對(duì)稻瘟病、白葉枯病和紋枯病等多種病原體的抗性。

打個(gè)比方來(lái)解釋?zhuān)緵](méi)被病原菌感染時(shí)，感受器TIR蛋白的活性被ROD1蛋白抑制，如同孫悟空被壓在五行山下難以施展神通，這是為了避免激發(fā)免疫反應(yīng)影響水稻生長(zhǎng)發(fā)育;當(dāng)病原菌感染時(shí)，孫悟空才能一個(gè)跟頭從山底下釋放出來(lái)。

不過(guò)，事情還沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。不要忘了，人們對(duì)水稻的期待，首先是穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。但是，植物抗病研究界都清楚，一般來(lái)說(shuō)，抗病與高產(chǎn)就好比魚(yú)與熊掌很難兼得。畢竟，今天為我們提供大米的水稻，實(shí)際上基本都是人工改良過(guò)的品種，而提升水稻抗病性，也就是一種從人類(lèi)需求出發(fā)對(duì)水稻的“改良”，兩種改良同時(shí)作用，效果不甚理想。

怎樣同時(shí)保證水稻的抗病和高產(chǎn)?何祖華團(tuán)隊(duì)采取的辦法是，以不斷“回交”的方式“提純”引入新基因?！熬褪钦f(shuō)，首先用突變株系與一高產(chǎn)品種雜交，再用子代繼續(xù)與該高產(chǎn)品種雜交，這樣回交多代，盡可能只引入目標(biāo)基因。”何祖華這樣解釋道。

“廣譜”與“專(zhuān)精”，一樣了不起

植物抗病有打擊面寬的“廣譜戰(zhàn)士”，也有專(zhuān)精一門(mén)的“專(zhuān)家戰(zhàn)士”，可以攻克特定的頑疾。以有水稻“癌癥”之稱(chēng)的稻瘟病為例，科研人員就找到了抗病基因Pigm并已廣泛應(yīng)用。

“具體到某一種疾病的抗病性，植物與人不同。今天我們都可以接種疫苗，而植物能否有某種專(zhuān)門(mén)的抗病性，實(shí)在是‘天注定’?！编囈晃谋硎?，讓水稻不怕稻瘟病的邏輯其實(shí)很簡(jiǎn)單，那就是得找到抗稻瘟病最強(qiáng)、抗病年代最長(zhǎng)的水稻品種，再?gòu)乃砩险业桨l(fā)揮抗病作用的基因。

何祖華（右一）和鄧一文（右二）在水稻抗病研究基地 董雪 攝

研究人員在稻瘟病最嚴(yán)重的湖北恩施確定了“谷梅四號(hào)”。這是一個(gè)古老的水稻品種，對(duì)稻瘟病有極強(qiáng)的抗性，但產(chǎn)量和品質(zhì)都不如人意。從“谷梅四號(hào)”中析出Pigm的過(guò)程十分復(fù)雜，這種水稻還沒(méi)有完成染色體測(cè)序，何祖華團(tuán)隊(duì)在三四萬(wàn)個(gè)水稻基因里苦苦追索，從定位到驗(yàn)證基因功能，用去了好幾年時(shí)間。

該基因的作用機(jī)制可以用一句話概括——它能識(shí)別出稻瘟病菌。雖然導(dǎo)致稻瘟病的病菌有很多種，但幾乎每一種都會(huì)在侵染水稻時(shí)分泌一種毒性蛋白，而這種毒性蛋白可以被該基因識(shí)別，從而激發(fā)水稻自身的免疫反應(yīng)，產(chǎn)生抗病性。

使用類(lèi)似的方法，科研人員正在尋找攻克更多特定頑疾的“專(zhuān)家戰(zhàn)士”。不過(guò)，找到抗病基因不意味著一勞永逸。“就像人過(guò)度使用單一抗生素，時(shí)間一長(zhǎng)就沒(méi)效果了。”鄧一文表示，為了防止病菌獲得“耐藥性”卷土重來(lái)，我們還需要不斷充實(shí)后備基因儲(chǔ)備。魔高一尺，道高一丈，基因技術(shù)照亮的植物抗病之路，還將朝著人類(lèi)的希望延展下去。

編輯：范鐘秀