科院微生物所有望攻克植物黄萎病

郭惠珊8年前的那个心愿终于实现了。9月26日，《自然—植物》杂志发表了郭惠珊团队的新成果，该研究揭示了他们利用基因“小剪刀”——RNAi创建的抗黄萎病棉花新品系，来有效狙击棉花“癌症”黄萎病的秘密。

2008年8月，中科院微生物所研究员郭惠珊第一次在新疆看到绵延不断的棉田。然而，她看到的不是令人欣喜的丰收景象，而是一片枯黄，遍地落叶，还有棉农绝望的面孔。这一幕像钉子一样扎在她心里，让她疯狂地想了解黄萎病究竟是怎么一回事。

最近，郭惠珊团队先后发表了3篇文章，他们首次在全球揭示了黄萎病真菌如何“敲开”进入棉花体内的“大门”；首次运用新型基因沉默技术——RNAi基因“小剪刀”阻止进入棉花体内的病菌肆意扩散，并在陆地棉中培育出对黄萎病抗性较高的棉花新品系。

“这些研究理清了黄萎病致病机理，并创建新的抗病技术，对于减轻病害，提高棉花产量、改善棉纤维品质，对实现脱贫致富和社会稳定发展提供了科技支撑，是实现从理论研究走向应用，突破行业技术瓶颈的典型范例。”微生物所副所长东秀珠评价说。

揭示真菌如何进入棉花体内

“棉花黄萎病会造成棉花植株叶片、蕾铃干枯脱落，产量严重损失。”9月26日，郭惠珊在接受《中国科学报》记者采访时说。

我国棉花年产量600万~800万吨，约占世界总产量30%，居全球首位，受黄萎病危害最为严重。作为中国最大的优质棉生产基地，2015年新疆棉花种植面积达3400余万亩，但黄萎病发病面积超过50%。

然而，由于引起该病害的病原在土壤40厘米的土层生活，且变异频繁，传统杀菌剂和化学药剂防治难以奏效。而且其寄主多达120余种植物，传统轮作抗病模式短期效果也不理想。

抗病先要找到致病机理，课题组通过反复试验最终揭开了黄萎病菌的“遮羞布”，在全球首次揭示了黄萎病的“罪魁祸首”——大丽轮枝菌的侵染结构。

“大丽轮枝菌是一种半活体寄生的真菌，平时以微菌核的形式在土壤里潜伏。一旦接触到植物组织，它们就会像变形金刚一样，产生‘钉子’状的侵染结构，击穿植物的细胞壁，钻入根维管组织内部，然后逐步占领整个维管组织，导致植物萎蔫生病。”郭惠珊解释说。

“然后，它又开始利用死亡的植株腐生，在植物养分被耗尽后，回到地下，等待机会开始新一轮危害。”郭惠珊说。

“小剪刀”让致病基因沉默

防治棉花黄萎病最有效的方法是利用抗病品种。然而，我国大部分棉区90%以上的栽培品种属于陆地棉，由于缺乏抗病种质资源，抗黄萎病种质创新举步维艰。

郭惠珊团队另辟蹊径，采用RNAi对这个狡猾的植物“杀手”展开了攻击，设法研制新的陆地棉抗病品系。

RNAi是双链RNA产生的一小段RNA，可以对同源靶标RNA进行切割或抑制转译，郭惠珊将其比作基因的“小剪刀”。东秀珠介绍说：“这种新型基因沉默技术就像打靶，打到哪里，就不再让目标靶基因发作。”

就是用这把“小剪刀”，研究人员利用RNAi技术，在早熟陆地棉中培育出了抗黄萎病的新品系，经鉴定，其抗黄萎病性相对对照品种提高了22.25%。相关成果今年6月发表于《分子植物》。

“通过RNA干扰技术，棉花可以让大丽轮枝菌进入其体内，但不会让它通过棉花的维管束系统正常扩展，不会让它走到棉花的每个细胞。”郭惠珊课题组博士后高峰补充说。

在中科院先导专项B类评审会上，陈宜瑜院士、匡廷云院士等认为，这项研究意义重大，有很大的应有价值。

新品系自带“跨界”抗病疗效

那么，新棉花抗病品系是如何抵抗黄萎病的呢？课题组进一步研究发现，抗病性较好的植物会诱导积累一类植物内源小核糖核酸（miRNAs），它们能够跨越植物和病菌之间的界限，转运到病菌细胞中，降解病菌的致病基因，从而达到抗病的效果。这项发表于《自然—植物》的研究首次证明了，植物—真菌跨界小RNA诱导病原靶基因沉默的抗病新途径的存在。它为HIGS技术在棉花抗黄萎病的有效应用提供了重要的理论支持，也为将来宿主—病原菌互作研究开辟了一个新领域。

“郭老师针对植物病理学进行的研究属于一个重大的基础战略问题。”微生物所植物基因学国家重点实验室副主任钱韦说，中国用世界上7%的土地养活了世界上30%的人口，其代价是我国农药施用量也占全球的30%。他认为，用农药杀灭病菌、昆虫已经走到了穷途末路。

“植物病理学家都有一个梦想，发展绿色农业。”钱韦认为，郭惠珊课题组此项研究的意义在于，首次发现了“寄主把自己的小RNA打入真菌体内，来控制真菌的生理活动”的方法。相当于利用了植物已有的免疫系统，加入了RNAi“小剪刀”，提高了棉花的抗病能力。

“这是重大基础研究真正带动了重大技术障碍的突破的范例。”钱韦说，“中国正在讨论基础研究要不要投那么多？是不是白花钱？事实上并非如此，好的基础研究就是最好的技术。”

不过，在郭惠珊看来，这只是万里长征的第一步。“这只是利用一个‘小剪刀’将棉花的抗黄萎病水平提高了22.5%，是‘0到1’的工作。”她表示，未来还有从1~100的工作需要完成，她将与黄萎病“死磕到底”。接下来，团队将建立各种各样的高效RNAi“小剪刀”靶标库，筛选出更多更高效的抗黄萎病棉花新品系，让更多新疆的棉农能够早摆脱黄萎病带来的痛苦。