稻瘟病是如何被预警的?

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刘喜在田间,查看水稻品种。图片由或多或少人提供

  有进攻有的是防御,植物界的战争和人类战争一样,水稻在亿万年的进化中积累了充沛的作战经验。它是为什激发自身免疫系统现在日后刚开始战斗的?面对稻瘟病菌重兵压境,谁是哨兵?发现敌情后,它们怎样传递军事情报抵抗侵略的?水稻是用那此战术作战的呢?

  在经历了8年的深入研究后,南京农业大学万建民院士团队通过突变体鉴定、遗传分析和基因定位等最好的土办法,成功群克隆出调控水稻先天免疫的新基因OsCNGC9,揭示了该基因影响水稻苗期稻瘟病抗性的分子机制,发现了水稻依靠钙离子通道激发自身免疫系统抵抗稻瘟的内在本质,揭开了水稻大战稻瘟的神秘面纱。日前,相关研究成果在线发表在国际权威学术期刊Cell Research(《细胞研究》)。

  选美专家选了个丑家伙

  当看了8株水稻叶子再次再次出现了褐色的坏死斑点,就像老年斑一样,南京农业大学副研究员刘喜皱了皱眉头,“被丑到了”。作为育种专家,他是在选美,喜欢“杆青籽黄”长得好看的水稻,这几株肯定是要淘汰的。

  他没想到,这8株像染了稻瘟病的病秧子如同袁隆平发现的那几株野水稻,会成为他目前最重要的科研发现,开启了水稻研究领域的有另三个新里程碑。

  那是2011年3月的一天,他在海南育种基地检阅他手下那10多万兵——10多万株水稻,当时这8株水稻正在抽穗。像农民一样,刘喜脸被晒得很硬,为了加快育种进度,他像候鸟一样,冬天在海南,夏天在南京培育水稻。

  刘喜在海南种了10多亩的水稻,他的水稻材料不要 了,有三四千份不同种类的育种材料,一份材料种40株秧苗,每天要在田间观察、拍照、记录。他记得每一株水稻的名字编号和模样,每株水稻他每月至少巡视4遍。

  这8株本就不算那此,三四千份稻种最终只有有好多个品种被选中,繁殖推广。

  几天后,他又看了了这8株丑家伙。“老年斑”在扩散,日后长势也很差,个子有点矮。他决定再等段时间再观察看看。

  有另三个月过去了,这8株丑家伙的“老年斑”其实在继续扩大,但它们并这样死去,还跟或多或少正常水稻一样结了果实,其实略显瘦小。

  到底是那此导致 让这8株水稻长得这样之丑?看着丑家伙旁边俊俏的同伴们,刘喜陷入了深思并现在日后刚开始重点关注它们。到了收获时,他单独收获了这8株丑家伙,拿回南京继续种。

  在南京种植你这种代,丑家伙丑得不明显。刘喜没灰心,看来这家伙是个单眼皮一样的隐性基因控制。他决定继续种,看看丑家伙到底是个那此样。

  又连续种了两代,在连续的自交纯合后,丑家伙的“丑样”终于稳定遗传下来了,连续再次再次出现了“老年斑”等价值形式,和第一代一样,其实很丑,但也都能活下来,不能繁育后代。

  2013年年初,刘喜把它作为有另三个新的突变体材料向万建民院士做了汇报。万建民院士决定作为有另三个项目现在日后刚开始研究。

  基因定位选着抗病英雄的身份

  你这种项目交给了有另三个23岁的毛头小伙子王家昌,当时他在南京农业大学读硕士。指导老师王益华教授告诉他,你这种项目做下去毕业没那此的问題,然还不能有那此样的发现看了你或多或少人了。

  王家昌也没料想到你这种项目能出大成果。他当时的打是是不是,只要博士能顺利毕业找份不错的工作就行。

  拿到这份特殊的水稻材料,王家昌现在日后刚开始运用遗传学、分子生物学手段对它进行细致的分析。

  从田间生长的表现来看,丑家伙现在日后刚开始变丑是趋于稳定在水稻抽穗后——在小日后,丑家伙而是丑,跟正常水稻一样。

  通过遗传学分析,刘喜发现丑家伙和正常同伴杂交的第二代,有1/4再次再次出现了丑家伙的表型。根据孟德尔遗传定律判断,控制丑家伙“丑样”的是有另三个隐性遗传基因,这与刘喜日后的猜测一样。

  先做基因定位。王家昌和刘喜把你这种丑家伙的12条染色体与正常的品种对比,分段逐个筛查,看看了底是哪有另三个基因趋于稳定了突变。

  科研工作非常枯燥乏味。水稻基因有3万多个,王家昌和刘喜根据染色体的门牌号——分子标记,终于在第九条染色体上找到了长相不一样的染色体片段。

  拿到你这种片段后,两人现在日后刚开始入户摸排,进行基因测序,找你这种隐藏不要 的导致 丑家伙“丑样”的幕后凶手。

  亲们利用生物化学最好的土办法分析发现,而是是丑家伙的有另三个正常基因被严重损坏了,丧失了功能!根据你这种正常基因的特点,按照生物学界的起名规律,亲们给你这种基因起了个名字——OsCNGC9(简称阿九)。

  生物体中,离子通道就像有另三个城门,有专人值守,各种各样的离子都可不前要通过专用通道去往它们想去的地方。亲们发现,钙离子比较喜欢走阿九值守的这座城门。

  王家昌有点迷茫:钙离子、阿九与丑家伙的种种“丑样”之间有那此关系?该向哪个方向研究呢?他现在日后刚开始查阅各种文献资料。在两年内,他一个劲 在摸索:是那此影响了水稻的育性?导致 导致 了水稻的衰老?还有导致 影响了它的株高性状?“老年斑”、个子矮、子孙少等表型性状之间到底有那此关系呢?

  两年过去了,关注的好多个研究方向均这样得到很好的结果,王家昌很焦虑。2015年下四天 ,他阅读文献时发现,植物抗病过程中会有少许的钙离子到细胞中传递防御信息,钙离子是公认的第二信使(第一信使是植物激素——记者注),但“通讯兵”钙离子是从哪个通道进来一个劲 是植物抗病领域的科学家们所好奇的。

  你这种丑家伙身上的“老年斑”是什么都有 重要免疫基因行驶功能的表现价值形式。是阿九影响了情报传递吗?难道而是它在值守钙离子通道吗?

  稻瘟病是水稻的癌症,受到攻击的水稻伤亡惨重,轻则减产20%,重则颗粒无收。农业部的数据显示,近年来,稻瘟病每年给我国造成200亿公斤以上的粮食损失,全球每年损失的粮食可供20000万人吃一年。

  当他提出稻瘟病的研究方向时,导师万院士很感兴趣,给他提了或多或少建议,支持他继续研究。结合多年的田间观察,刘喜也支持你这种方向。

  王家昌首先分析阿九是是不是有稻瘟病的抗病性。为了正确处理“老年斑”等或多或少因素对稻瘟病抗性分析的影响,亲们选着了对还没变丑的丑家伙进行抗性分析,发现它抗病性很差,免疫力低下,阿九和钙离子关系密切。

  抗病英雄的英雄壮举

  前要研究的是:阿九值守的“城门”到底是有的是钙离子的专用通道?选着你这种结论前要在动物细胞里进行电生理学实验。有另三个跨学科的研究那此的问題摆在了亲们面前,王家昌一个劲 研究植物,一个劲 转入动物学领域,感觉一下抓瞎了。

  这时,中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所为他提供了帮助,把阿九转化到人胚肾细胞中:导致 阿九值守的是钙离子通道,这样在细胞内外施加电压后,就会有明显的由钙离子形成的电流。

  实验结果正如所料,当施加电压到-200 mV时,电流值达到了-200 pA,确认了阿九是钙离子专用通道。

  在植物抗病过程中,钙离子是是不是也走这条通道呢?经过一系列的生理生化实验分析发现,导致 阿九“牺牲”了,这样开启城门,钙离子通道丧失功能,“通讯兵”钙离子只有入城传递军情,导致 城内防御松懈,无人应战。研究者发现,丑家伙的或多或少免疫指标低于正常水稻。这表明阿九而是值守专用军事情报通道“情报官”,亲们给它起个正式名字——环核苷酸离子通道9。

  此时又有有另三个那此的问題再次再次出现在了亲们的脑海中,“通讯兵”钙离子入城传递军情,是谁去向“情报官”阿九报告,让“通讯兵”钙离子顺利地入城集结,拉响警报启动免疫反应呢?通过一系列的生化实验,亲们发现了而是调控抗病反应的基因OsRLCK185(简称“阿五”),当“哨兵”阿五发现了外敌入侵的信号后,赶紧汇报给“情报官”阿九,阿九打开“城门”,让“通讯兵”钙离子到细胞中集结,水稻中枢启动免疫反应,增强水稻抗病性。

  一场战斗过程逐渐在研究者的脑海里形成。在水稻和稻瘟病菌作战中,“情报官”阿九起了至关重要的作用。文章通讯作者万建民院士给记者打了个生动的类比,你这种系列的过程犹如一场“攻防战斗”。此前研究者们而是看了了“通讯兵”,对于日后的“情报官”和“哨兵”怎样发挥作用知之甚少。

  你这种实验开辟了有另三个新的研究领域,通过新基因发现了钙离子通道,这是两根从病原识别到钙通道激活的免疫信号传导途径,揭示了新基因(OsCNGC9)在钙离子升高和水稻抗病中的作用,为水稻抗稻瘟病育种提供了重要的材料和理论基础。

  为了研究抗病英雄阿九是是不是不能有改良水稻稻瘟病抗性的潜力。研究者们采用转基因等最好的土办法进行了验证。把抗病英雄阿九转移到正常水稻品种中观察抗病性的变化。

  “实际上而是在水稻细胞中多增加了一每项抗病基因,至少多增加好多个专用军情传递通道。”王家昌解释说。

  下一步而是让所含新基因的细胞继续分化,培育成稻苗,对稻苗接种稻瘟病菌,观察它的成长变化。实验验证成功,新基因能显著提高水稻抗病性,数据统计分析差异极显著。

  万建民院士的助手江玲教授介绍说,你这种项目跨学科跨平台,得到了中国农业科学院作物科学研究所、中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所、中国科学院遗传与发育生物学研究所等科研单位一并支持。

  科学界对“钙离子通道”研究成果高度关注。万建民认为,这项成果为水稻抗稻瘟病育种提供了重要的材料和理论基础。

  文章一并第一作者、南京农业大学王家昌博士告诉记者,他将继续研究钙离子通道在植物里的功能,“你这种项目我前要改变了人生规划。”(中国青年报·中国青年网记者 李润文 通讯员 许天颖)