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中国科学家发现病原菌“攻击”植物全套“战术”

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新华社北京1月13日新媒体专电(记者董峻)中国科学家日前一项关于植物疫病发生机制的研究发现,导致疫病的“元凶”——病原菌有一整套精密而复杂的“进攻”机制。这是人类首次在更精准和微观的层面认识这类严重危害植物的病原菌的分子机理,从而为改良农作物的持久抗病性提供了理论基础。

13日,国际知名学术杂志《科学》(《Science》)在线发表了这一研究成果。这项研究成果是由南京农业大学教授王源超领导的科研团队取得的。

《科学》杂志在线发表这项被称为可以写入教科书的研究成果。纸质版将在随后出版。

  《科学》杂志在线发表这项被称为可以写入教科书的研究成果。纸质版将在随后出版。

病原菌是一种比细菌更高等的微生物,目前人类已发现的病原菌有160多种,影响数千种植物,是全球粮食、食品和生态安全的重要威胁。由于这类病害具有发病快、变异快、流行快等特点,生产上的防控一直比较困难。在我国,由疫霉菌引起的农作物病害每年导致的经济损失高达上百亿元。

换句话说,为什么农药越用越不灵、需要不断地更新换代?一个重要原因是许多病原菌在和农药的斗争中会出现抗药性。类似的,这种情况在昆虫身上也会发生。但是,长期以来人们并不知道这到底是什么原因,直到这项研究揭开了病原菌“进攻”植物的“战术”。

研究人员锁定了病原菌中最“著名”的一种微生物——疫霉菌。在历史上,由疫霉菌引起的农作物疫病曾被称为“植物瘟疫”。19世纪中期引起欧洲的马铃薯晚疫病大流行,导致150万人饿死、数百万人逃亡美洲和澳洲,从而影响了世界人口格局。这可能是最著名的一个真菌影响人类历史的经典案例。

《晚祷》,19世纪法国画家米勒作于1857到1859年间。当时欧洲由于马铃薯晚疫病造成人类历史上有名的农业大灾难。

  《晚祷》,19世纪法国画家米勒作于1857到1859年间。当时欧洲由于马铃薯晚疫病造成人类历史上有名的农业大灾难。

这项研究表明,“魔高一尺、道高一丈”的协同进化规律同样适用于微观世界。研究人员现,疫霉菌在入侵植物的早期,向细胞外分泌糖基水解酶XEG1攻击植物细胞壁,而植物则利用水解酶抑制子GIP1抑制其活性。在进化过程中,病原菌又获得了XEG1的失活突变体XLP1,以诱饵“DECOY”的方式干扰抑制子GIP1,与糖基水解酶XEG1协同攻击植物的抗病性。

上面这段话可能只有专业人士看得懂,所以该成果的第一作者马振川博士进行了“翻译”:糖基水解酶XEG1相当于疫霉菌攻击植物的“常规导弹”。导弹来了植物会启用自身的防御系统水解酶抑制子GIP1抵御攻击。但是,疫霉菌又会进化出“假弹头”糖基水解酶XEG1的失活突变体XLP1。这个“假弹头”虽然本身没有攻击性,但它和植物抑制子GIP1的结合能力要高出XEG1约 5倍。假弹头可以充当“诱饵”,把作物防御系统的主要“兵力”吸引过去,从而保护“真弹头”XEG1乘虚而入,攻击作物导致病害发生。

攻守双方的“过招”模式:病原菌在“进攻”时分泌糖基水解酶XEG1,降解植物的细胞壁,植物则利用水解酶抑制子GIP1抑制其活性,而病原菌又进化出XEG1的失活突变体XLP1作为诱饵,竞争性结合抑制子GIP1并和XEG1协同攻击植物。

  攻守双方的“过招”模式:病原菌在“进攻”时分泌糖基水解酶XEG1,降解植物的细胞壁,植物则利用水解酶抑制子GIP1抑制其活性,而病原菌又进化出XEG1的失活突变体XLP1作为诱饵,竞争性结合抑制子GIP1并和XEG1协同攻击植物。

科学家把这种病原菌攻击宿主的全新致病机制称作“诱饵模式”(DECOY)。该团队在稍早的研究中,还发现植物能够利用细胞膜上的受体识别XEG1,启动基础水平的抗性,但是病原菌又可以分泌效应子到寄主胞内干扰其抗性。

“病原菌在侵入宿主的过程中,上演着极其复杂和精确的 攻击、防御,再攻击、再防御 的 军备竞赛 。对这个过程的深入了解是发展安全高效病害控制策略的基础。”王源超说,“由于糖基水解酶XEG1在卵菌、真菌和细菌中广泛存在,因此这一发现为开发能诱导植物广谱抗病性的生物农药提供了重要的理论基础。”

知己知彼才能百战不殆。科学家希望,利用这一微观世界中的“攻守规律”,人们将能够生产出可以不用频繁更新换代的农药,以及用生物工程技术在抗病育种方面取得新进展。

(原标题:中国科学家发现病原菌“攻击”植物全套“战术”)

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