具有“可调”免疫系统的水稻植物可以同时对抗多种疾病

具有“可调”免疫系统的水稻植物可以同时对抗多种疾病

中国稻田受水稻枯萎病( Xanthomonas oryzae pv.oryzae )的影响,这是新设计的水稻作物成功抵抗的疾病之一。

华中农业大学孟元
具有“可调”免疫系统的水稻植物可以同时对抗多种疾病

农民不断在农作物上喷洒杀虫剂,以对抗一系列病毒,细菌和真菌侵入者。 科学家们多年来一直试图绕过这些化学物质,通过基因工程设计能够抵抗由微生物引起的一系列疾病的耐寒植物。 到目前为止,大多数尝试都提供针对单一疾病的保护,但现在研究人员已经开发出一种水稻植物,可以同时对抗多种病原体 - 而不会损失作物产量 - 通过将可调放大器连接到植物的免疫系统。

“只要我一直在这个领域,人们一直在摸索如何在需要的时间和地点启动防御系统,”在英国诺威奇的塞恩斯伯里实验室研究植物防御机制的乔纳森·琼斯说。 “这是我见过的这个领域最有前途的研究领域之一。”

植物没有血液循环免疫细胞。 相反,他们利用细胞外部的受体来识别发出微生物入侵信号的分子,并通过释放大量抗菌化合物做出反应。 从理论上讲,识别启动这种免疫反应并拨出活动的基因应该会产生超强的植物。

位于北卡罗来纳州达勒姆的杜克大学的植物生物学家Xinnian Dong,20年来一直在研究这些基因中的一种 - 她说,这是植物防御的“主要调节因子”。 这种基因在通常研究的拟南芥植物( 拟南芥 )中被称为NPR1 ,这种植物是一种小而杂草的植物,上面覆盖着白色的花 - 一直是科学家试图提高水稻,小麦,苹果,西红柿等免疫系统的热门目标。 。 但是,提高NPR1的效果非常好并“使植物变得悲惨,因此对农业来说并不是很有用,”Dong说。

要了解原因,请考虑人体免疫系统。 就像病人在发烧时工作效率不高一样,当自己的免疫系统超负荷时,植物生长得很差。 同样地,保持NPR1基因始终开启,特别是植物生长严重,农民没有收获。

为了使NPR1变得有用,研究人员需要一种更好的控制开关 - 只有在植物受到攻击时才能提高免疫反应,但是否则会将其调低以让植物生长。 本周,来自杜克的董氏团队与中国武汉华中农业大学的研究人员合作在Nature上发表的两篇论文描述了这种机制的和 。

在调查拟南芥中称为TBF1的免疫系统激活蛋白时,董发现了一个复杂的系统,可以迅速引发免疫反应。 它的工作原理是采用编码TBF1的即用型信使RNA分子,并迅速将这些分子转化为TBF1蛋白,然后启动一系列免疫防御。 董迅速认识到一段DNA,她称之为“TBF1盒”,作为这种植物免疫反应的控制开关,因此她从拟南芥基因组中复制了TBF1盒并将其粘贴在NPR1旁边和前面水稻中的基因。

结果是一种水稻品种能够迅速和可逆地提升其免疫系统,其爆发强度足以抵御有害的病原体,但又足够短,以避免以前设计的作物中出现的发育迟缓。

研究人员证明,与常规水稻相比,通过用引起水稻枯萎病( Xanthomonas oryzae pv.oryzae )和叶条纹( X. oryzae pv.oryzicola )的细菌病原体接种它们的叶子以及真菌来说,它们的水稻优于常规水稻。爆发病( Magnaporthe oryzae )。 虽然感染蔓延在野生稻植物的叶子上,但是工程植物很容易将入侵者限制在一个小区域内。 “这些植物在田间表现非常好,并且没有明显的适应性损失,特别是在谷粒数量和重量方面,”Dong说。

北卡罗来纳大学教堂山分校的植物免疫专家杰夫·丹格尔说,这项研究可能对发展中国家的农民来说是一个福音,他没有参与这项研究。 例如,植物有效抵抗的稻瘟病导致全世界每年稻米作物损失约30%。 “在发展中国家,当无法负担杀菌剂的农民在他们的田地里感染疾病时,他们可能会失去整个作物,”Dangl说。

加州大学河滨分校的植物生物学家Julia Bailey-Serres对这项研究也很兴奋。 “他们尚未进行大规模的试验,以显示它的强大程度,但我们的信封计算显示,这确实会产生很大的影响,”她说。 “它可以很容易地适用于多种作物,”她说,并补充说,“令人印象深刻的是它在两个王国中发挥作用”的真菌和细菌病原体。

但所有人都要小心注意到免疫增强的作物仍处于早期阶段。 首先, NPR1赋予的特殊类型的提升不太可能提供对植物咀嚼昆虫的保护。 第二个警告是,该研究仅测试了水稻对寄生于宿主细胞的微生物的反应; 他们针对杀死细胞作为食物的不同类别的病原体的防御仍未经过测试。 琼斯说:“我会把香槟保持在冰上,直到在野外测试更多的病原体系统。”

尽管如此,琼斯说他希望这项工作 - 更像是它 - 最终可能会导致农药的终结。 “我想在50年后想​​象我的孙子们会说,'爷爷,当人们真正使用化学物质控制疾病时,他们是否可以使用遗传学?' 我会说,'是的,他们做到了。' 这就是我们想去的地方。“