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。图片由当时人提供

  有进攻须要防御,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富有的作战经验。它是为何激发自身免疫系统只是 开使战斗的?面对稻瘟病菌重兵压境,谁是哨兵?发现敌情后,它们咋样传递军事情报抵抗侵略的?水稻是用哪些地方战术作战的呢?

  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方法,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

  当都看8株水稻叶子一直总出 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另三个多新里程碑。

  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,刘喜脸被晒得鼓鼓的,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,每株水稻他每月最少巡视4遍。

  这8株本就不算哪些地方,三四千份稻种最终没法 有多少品种被选中,繁殖推广。

  几天后,他又都看了这8株丑家伙。“老年斑”在扩散,咋样让 长势也很差,个子有点痛 矮。他决定再等段时间再观察看看。

  另三个多月过去了,这8株丑家伙的“老年斑”确实在继续扩大,但它们并没法 死去,还跟不要 不要 正常水稻一样结了果实,确实略显瘦小。

  到底是哪些地方导致 分析让这8株水稻长得没法 之丑?看着丑家伙旁边俊俏的同伴们,刘喜陷入了深思并只是 开使重点关注它们。到了收获时,他单独收获了这8株丑家伙,拿回南京继续种。

  在南京种植什儿 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哪些地方样。

  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,连续一直总出 了“老年斑”等底部形态,和第一代一样,确实很丑,但也都能活下来,有利于繁育后代。

  2013年年初,刘喜把它作为另三个多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另三个多项目只是 开使研究。

  基因定位挑选抗病英雄的身份

  什儿 项目交给了另三个多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,什儿 项目做下去毕业没问提,咋样让 能哪些地方地方样的发现都看你当时人了。

  王家昌也没料想到什儿 项目能出大成果。他当时的打与非 ,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,王家昌只是 开使运用遗传学、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,丑家伙只是 开使变丑是所处在水稻抽穗后——在小只是 ,丑家伙不要 不要 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1/4一直总出 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”的是另三个多隐性遗传基因,这与刘喜只是 的猜测一样。

  先做基因定位。王家昌和刘喜把什儿 丑家伙的12条染色体与正常的品种对比,分段逐个筛查,看都看底是哪另三个多基因所处了突变。

  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。

  拿到什儿 片段后,两人只是 开使入户摸排,进行基因测序,找什儿 隐藏过深的导致 分析丑家伙“丑样”的幕后凶手。

  亲戚亲戚朋友利用生物化学方法分析发现,原先是丑家伙的另三个多正常基因被严重损坏了,丧失了功能!根据什儿 正常基因的特点,按照生物学界的起名规律,亲戚亲戚朋友给什儿 基因起了个名字——OsCNGC9(简称阿九)。

  生物体中,离子通道就像另三个多城门,有专人值守,各种各样的离子都能不能通过专用通道去往它们想去的地方。亲戚亲戚朋友发现,钙离子比较喜欢走阿九值守的这座城门。

  王家昌有点痛 迷茫:钙离子、阿九与丑家伙的种种“丑样”之间哪些地方地方关系?该向哪个方向研究呢?他只是 开使查阅各种文献资料。在两年内,他一直在摸索:是哪些地方影响了水稻的育性?只是 导致 分析了水稻的衰老?还有只是 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哪些地方地方关系呢?

  两年过去了,关注的多少研究方向均没法 得到很好的结果,王家昌很焦虑。2015年下两天,他阅读文献时发现,植物抗病过程中会有几滴 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直是植物抗病领域的科学家们所好奇的。

  什儿 丑家伙身上的“老年斑”是不要 不要 重要免疫基因行驶功能的表现底部形态。是阿九影响了情报传递吗?难道不要 不要 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500亿公斤以上的粮食损失,全球每年损失的粮食可供50000万人吃一年。

  当他提出稻瘟病的研究方向时,导师万院士很感兴趣,给他提了不要 不要 建议,支持他继续研究。结合多年的田间观察,刘喜也支持什儿 方向。

  王家昌首先分析阿九是与非 有稻瘟病的抗病性。为了处置“老年斑”等不要 不要 因素对稻瘟病抗性分析的影响,亲戚亲戚朋友挑选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

  须要研究的是:阿九值守的“城门”到底是须要钙离子的专用通道?挑选什儿 结论须要在动物细胞里进行电生理学实验。另三个多跨学科的研究问提摆在了亲戚亲戚朋友身旁,王家昌一直研究植物,一直转入动物学领域,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:只是 阿九值守的是钙离子通道,没法 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-500 mV时,电流值达到了-5000 pA,确认了阿九是钙离子专用通道。

  在植物抗病过程中,钙离子是与非 也走这条通道呢?经过一系列的生理生化实验分析发现,只是 阿九“牺牲”了,没法 开启城门,钙离子通道丧失功能,“通讯兵”钙离子没法 入城传递军情,导致 分析城内防御松懈,无人应战。研究者发现,丑家伙的不要 不要 免疫指标低于正常水稻。这表明阿九不要 不要 值守专用军事情报通道“情报官”,亲戚亲戚朋友给它起个正式名字——环核苷酸离子通道9。

  此时又另三个多多问提一直总出 在了亲戚亲戚朋友的脑海中,“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,亲戚亲戚朋友发现了原先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拈连,什儿 系列的过程犹如一场“攻防战斗”。此前研究者们不要 不要 都看了“通讯兵”,对于只是 的“情报官”和“哨兵”咋样发挥作用知之甚少。

  什儿 实验开辟了另三个多新的研究领域,通过新基因发现了钙离子通道,这是一条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与非 有利于有改良水稻稻瘟病抗性的潜力。研究者们采用转基因等方法进行了验证。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。

  “实际上不要 不要 在水稻细胞中多增加了一次责抗病基因,最少多增加多少专用军情传递通道。”王家昌解释说。

  下一步不要 不要 让涵盖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,什儿 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并肩支持。

  科学界对“钙离子通道”研究成果角度关注。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。

  文章并肩第一作者、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,“什儿 项目我我应该 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)

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