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一個富有挑戰(zhàn)的科學問題

水稻是我國最重要的糧食作物之一，但近年來，水稻病蟲害呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)、老病新發(fā)態(tài)勢，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和糧食安全構(gòu)成嚴重威脅。抗病性能好的水稻品種往往產(chǎn)量不高，如何在抗病的同時不影響其產(chǎn)量性狀？如何讓植物的免疫屏障抵御不同病原菌的反復進攻？

解放日報·上觀新聞記者獲悉，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心何祖華研究團隊經(jīng)過15年不懈追問，終于獲得了答案。2021年9月30日，相關論文在線發(fā)表于國際頂尖學術期刊《細胞》上。這是該團隊繼2017年在《科學》發(fā)表水稻廣譜抗病新機制后的又一重大進展。

【“這差不多相當于3億人一年的口糧了”】

“我國占世界約8%的耕地，卻用了全世界約35%的農(nóng)藥。”何祖華介紹。

我國農(nóng)作物病害年均發(fā)病面積在1.2-1.5億畝，因此造成的產(chǎn)量損失高達15%-30%。有些重要病害，比如“紋枯病”，目前尚無育種上可用的抗病資源；再如“稻曲病”，老病新發(fā)，近20年來由于氮肥增加等原因，病害越來越重。稻曲病菌會產(chǎn)生環(huán)肽毒素，對人畜有較強毒害作用，引起肝臟腫大、生殖與泌尿系統(tǒng)病變等。

讓人憂心的是，我國在大量使用農(nóng)藥的情況下，每年仍然因病蟲害損失糧食至少1600萬噸、棉花50萬噸、油料90萬噸和其他作物1100萬噸。“這差不多相當于3億人一年的口糧了！”

【植物如何不過度“防衛(wèi)”，既抗病又穩(wěn)產(chǎn)】

“像水稻等農(nóng)作物，經(jīng)過人類長期選擇，高產(chǎn)等性狀保留下來，而抗病性的性狀會丟失。”論文的共同通訊作者楊衛(wèi)兵研究員告訴解放日報·上觀新聞記者。

作物抗病育種是控制病害最有效的途徑，但高抗的水稻品種往往生長發(fā)育受到限制，導致產(chǎn)量降低。這就提出了一個富有挑戰(zhàn)的科學問題：植物如何不過度“防衛(wèi)”，既能抗病又能穩(wěn)產(chǎn)。

經(jīng)過15年的持續(xù)攻關，研究團隊發(fā)現(xiàn)了水稻鈣離子中的“感應器”ROD1可精細調(diào)控水稻免疫，它通過降解具有免疫活性的超氧分子，從而抑制植物的“防衛(wèi)”。

可別小看了這一“感應器”，它很會“玩平衡”呢！在沒有病原菌“入侵”時，植物的基礎免疫維持在較低水平，有利于水稻生長，進而提高產(chǎn)量。但當病原菌“大舉侵入”時，ROD1會被其他蛋白所降解，功能被減弱，植物的免疫則增強了，從而保證植物產(chǎn)生有效的“防衛(wèi)”。

其實，病原菌和植物長期處于“軍備競賽”的協(xié)同進化過程中。研究發(fā)現(xiàn)，稻瘟病菌會進化出模擬ROD1結(jié)構(gòu)的毒性蛋白，并在植物體內(nèi)盜用ROD1的免疫抑制途徑。而植物也進化出了與病原菌共同生存的策略，即適當減弱植物的抗病能力，來保證其生長繁殖，延續(xù)后代。這正是植物聰明的生存之道。

研究人員通過對3000多種不同水稻品種的基因序列分析，發(fā)現(xiàn)ROD1單個氨基酸的改變可以影響其抗性和地理分布，進一步挖掘了其育種應用價值。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)ROD1的功能在禾谷類作物中是保守的，提出了通過基因編輯實現(xiàn)廣譜抗病的新策略。

【輸入“廣譜抗病”，他的名字肯定會出現(xiàn)】

“打個比方，本來最高產(chǎn)量可達900千克，適當減弱植物的抗病能力，雖然產(chǎn)量降低到850千克，但可大幅度減少農(nóng)藥，還能做到穩(wěn)產(chǎn)，這相比病蟲害導致的減產(chǎn)甚至顆粒無收，可以說相當了不起。”中科院分子植物卓越中心主任、中科院院士韓斌認為，這項研究不僅拓寬了人們對于作物抗病性基礎理論的認知，對設計開發(fā)高產(chǎn)高抗的作物品種也具有重要的指導意義和應用潛力。

審稿人也高度評價，“從來沒有看到過這么完整的工作，是結(jié)合基礎研究與應用研究的范例。”

此次研究是兩代科學家努力的結(jié)果，論文的共同通訊作者楊衛(wèi)兵和第一作者高明君都是何祖華的學生，在長達15年的時間里，他們從來沒有想過放棄。關鍵基因ROD1位于染色體的一端，遺傳重組率非常低，為了精準定位克隆到這個基因，就連他們自己都記不清究竟做了多少實驗。留存下來的除了實驗記錄，還有一張攝于凌晨1時48分的照片（下圖），那是高高摞起來的PCR板，每個板子有96個孔，每個孔就是一個PCR反應實驗，這還只是其中一部分。

“何祖華是我們中心最高產(chǎn)的一位科學家，如果在搜索引擎里輸入‘廣譜抗病’這一關鍵詞，他的名字肯定會出現(xiàn)。”韓斌院士說，從國外學成歸來后的20多年里，何祖華把研發(fā)的廣譜抗病基因無償提供給中國的種業(yè)公司和育種專家使用，水稻種植面積至少已有1千萬畝。“他是一位純粹的科學家，一輩子把一件事做到底、做到極致。”

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