http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2019-06
中国研究人员发现水稻富集镉的“凶手”
记者从中国科学院植物研究所获悉，该所副研究员何振艳研究组与中国农业大学团队合作，通过全基因组关联分析技术和基因功能验证体系，鉴定到水稻中一个参与重金属元素镉的主动转运蛋白，并揭示了籼稻和粳稻在镉积累上差异的有关分子机制，为低镉水稻品种的培育提供参考。相关成果于日前发表在国际学术期刊《自然-通讯》。
研究人员在水稻中鉴定到一个镉的次级主动转运蛋白，主要在水稻根的质膜上表达，参与了水稻根部镉吸收和籽粒镉积累过程，该蛋白缺失可显著降低水稻对镉的吸收效率和籽粒镉积累量。
研究人员进一步研究发现，在籼稻和粳稻中，基因型出现显著分化。田间试验表明，将粳稻基因型导入籼稻品种后，含有该基因型的水稻近等基因系籽粒镉含量可显著降低。该研究表明，该基因型在低镉籼稻育种方面具有很大的应用潜力。
据了解，水稻是我国主要的粮食作物，分成籼稻、粳稻两个亚种，其中籼稻主要在南方地区种植。水稻容易吸收和富集镉元素，使得镉通过食物链进入人体，严重威胁人类健康。近年来，我国稻米镉污染问题形势严峻，其中南方稻米镉污染情况尤为严重。而籼稻较粳稻具有更强的镉积累能力，可能是南方稻米镉超标的一个重要原因。
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寻找攻克水稻“癌症”的“利器”
■本报见习记者 韩扬眉
夏季到来，位居水稻病害之首的稻瘟病逐渐进入高发期。稻瘟病又称水稻“癌症”，严重时可致颗粒无收。因其危害巨大，我国水稻新品种审定实行稻瘟病抗性“一票否决”制。
一直以来，科学家们希望认清稻瘟病的发病抗病机制、寻找稻瘟病的抗性基因，从而最大限度控制稻瘟病发生，以及获得抗稻瘟病优势水稻品种。
日前，中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员朱立煌团队发现，在水稻中由稻瘟病抗性蛋白Pid3直接引发的抗病防卫信号具有一定程度的共通性，对稻瘟病抗病机制提供了新认识。近日，四川农业大学教授陈学伟团队应邀撰写稻瘟病广谱抗性综述文章，评述了国内外水稻稻瘟病广谱抗性相关遗传基础和分子机理等研究进展。上述成果分别发表于国际主流期刊《新植物学家》和《当代植物生物学观点》。
变化多端的“黑势力”
“稻瘟病是由稻瘟病菌引起的最具破坏性的水稻真菌性病害。”朱立煌告诉《中国科学报》，水稻几乎所有的生长阶段都可能会感染，可致水稻减产10%~35%，甚至“全军覆没”。按照发病部位，稻瘟病分为叶瘟和穗瘟。其中，穗瘟发生于谷粒上，直接影响产量。
稻瘟病菌“黑势力”强大。受害对象不仅是水稻，近年来在南美洲发现小麦也染上了与稻瘟病基本为同一属病原菌的麦瘟病，并一度造成毁灭性损失。
在植物体内，稻瘟病菌生长扩散过程“简单”又迅速。陈学伟解释道，稻瘟病菌利用自身特性能够先附着在植物细胞表面形成侵染结构，进而使病原菌穿透寄主表皮细胞壁，在寄主细胞中生长发育。之后，被侵染的细胞又产生菌丝，并再次传播侵染到附近其它细胞。3~5天内，植物便可出现病症。
此外，稻瘟病菌的生长还受外部环境诱导，中国的四川、湖南等盆地地区通常为稻瘟病高发地，尤其在夏季，当相对湿度高达90%以上，且温度大约25~30摄氏度时，稻瘟病易发和流行。
“农药是控制稻瘟病的必要手段之一。但首要手段，也是最经济、绿色、有效的方法，是依靠稻瘟病自身的抗病基因。”朱立煌说。
然而，稻瘟病菌是一个“大家族”，有着种类繁多的小种。由于水稻品种和种植的生态区域不同，水稻抗稻瘟病的基因类型、各个水稻品种对稻瘟病菌的抗谱范围也各不相同。
此外，稻瘟病菌最大的特点还在于其变化多端，即便是今年在当地具有抗稻瘟病基因的品种，次年或者过几年，也会因为出现新的稻瘟病菌小种，加之致病优势菌群的变化，导致原有的抗病基因不再有效。
“就像每年流行的感冒病毒都不一样。”朱立煌说，“这也是稻瘟病的防控难点所在。”
克服稻瘟病“两手抓”
高产和抗病是作物育种的两个重要目标，但同时也是两个相互拮抗的生物学过程。在防控稻瘟病的道路上，科学家们必须“两手抓”，一手寻找抗病基因并认识抗病机制，一手挖掘病原菌致病机理以切断致病过程，以期实现“鱼和熊掌兼得”。
随着水稻基因组图谱的揭示，研究人员广泛挖掘了天然的抗稻瘟病水稻资源，迄今已鉴定出100多个抗病位点，克隆了30多个抗病基因。
陈学伟介绍，抗病基因主要分为病原菌小种特异性抗性基因和非小种特异性抗性基因。前者的功能很专一，抗性效果强，但缺点是“一个抗病基因只抗一个或几个小种”，且在小种变异过程中抗病基因会失去效果。虽然在这类抗病基因中也有抗谱相对较广的，但也会因为稻瘟病菌的小种变异而失效。
此前，有研究表明，可以通过“激活”的方式使小种特异性抗性基因效果更强，但其结果往往会抑制作物生长发育，可能导致产量下降。
非小种特异性的稻瘟病抗性基因兼具持久广谱的抗性特点。陈学伟告诉《中国科学报》，此类基因是更普适性的“武器”，对绝大多数小种都有抗性，含有这样遗传基础基因的水稻，能够避免不同稻瘟病菌小种的侵染，但不足是抗性能力稍弱于上述特异性抗性基因。
“有可能会产生一些病斑，但对作物生长和产量没有明显影响，总体上利用价值很高。”陈学伟说。
此前，陈学伟团队挖掘了对稻瘟病的新型广谱高抗的水稻遗传资源，并阐明了其分子机理。另外，他们还与中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士团队合作发现了水稻抗稻瘟病的一个关键因子IPA1，既能提高产量，又能提高稻瘟病抗性。这一机制打破了单个基因不可能同时实现增产和抗病的传统观念，也为高产高抗育种提供了重要理论基础和实际应用途径。
抗稻瘟病基因与病原菌之间的“斗争”向来是一个复杂过程。了解抗病机制，有利于更精准的调控基因发挥作用。
朱立煌解释道，当病原菌侵染含有抗病基因的植物细胞时，其所分泌出的特殊蛋白——效应子便会激发植物一系列的抗病反应，其中一个重要的反应过程是细胞过敏性坏死，“一部分细胞质自我牺牲，与病原菌‘同归于尽’，从而抑制它们生存”。
然而，基因多种多样，究竟是哪些基因在抗病过程中发挥主力作用？抗病基因究竟如何激发一系列抗病反应？我们了解得非常有限。
已有研究发现，编码NLR蛋白的抗病基因对植物免疫具有重要作用，它能引发对多种病原微生物以及昆虫的显性防卫反应，从而赋予植物对病原小种的免疫性。目前，在水稻中已鉴定出的有病原菌小种特异性的抗稻瘟病基因，绝大部分都是编码NLR蛋白的抗性基因。
近日，朱立煌团队解析的Pid3蛋白就是一种典型的NLR类抗稻瘟病基因，其直接激活下游防御反应的分子机理，有助于进一步阐明稻瘟病抗性反应的信号途径，为水稻的稻瘟病抗病性改良提供新的理论参考。
“但不同的抗稻瘟病基因直接激活的对象可能相同，也可能不同，还需要探索。”朱立煌说。
更新战斗“武器”
目前克隆的抗病基因基本已得到应用，并通过杂交和反复选择，获得了诸多总体品质较好的水稻品种。
陈学伟表示，事实上，育种家在选种过程中，在稻瘟病区的天然压力下，已筛选并培育了含抗稻瘟病基因的水稻品种，只是不知道具体哪个或哪些基因在起作用。而科学家们找到后，可加快这些抗病基因的应用进程和效率。
抗病基因的挖掘为分子设计育种提供了条件。然而，由于病原菌小种变化多端，使得不同水稻产区抗病基因也有选择性，找到针对性的有效抗病基因依然是待破解的难题。
“未来还会‘冒’出哪些稻瘟病菌小种？什么样的基因组合可尽量避免稻瘟病的发生？”朱立煌指出，尽管目前水稻新品种的稻瘟病基本得到控制，但还存在诸多值得思考的问题。
除此之外，解析病原菌致病机理，通过设计药物抑制关键的侵染过程，也是目前正在研发的防控手段。“并非每个地区的水稻都有好的遗传基础能够克服病害，有些地区病害过于严重时，会给广谱抗性基因造成太大‘压力’，水稻还是可能会生病。”陈学伟说。
在陈学伟看来，“稻瘟病菌是生物链中天然存在的生物，很难完全灭绝，我们要做的是通过研究和实践最大限度地防控和减少其危害。此外，病原菌的致病过程和机制不断进化，我们要找到斗争的有效‘武器’，并不断更新”。
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华南农业大学破解“亚非稻”种间生殖隔离之谜
“我们的研究结果支持亚洲稻和非洲稻独立起源，平行演化的可能性，同时也支持稻属可能起源于大陆漂移前后的古大陆时期的假说。”在解释6月7日发表在《自然﹣通讯》上的最新研究成果时，论文通讯作者、华南农业大学生命科学学院教授陈乐天如是说。
“稻属种类多，在地球的分布广，遍及亚洲、澳洲、非洲和美洲。”陈乐天介绍，早期的理论假说认为稻属起源于古大陆并随着大陆漂移而遍布全球，考古证据也支持这一学说的可能性。考古证据表明大陆漂移发生在1-1.5亿年前。
稻属的起源时间目前在学术界还存在较大的争议。但是，随着技术的发展，基于野生稻基因组测序结果推断的稻属起源时间大概在1500万年前，两种学说之间存在较大的时间差。
揭示“亚非稻”遗传互作新机制
稻属由23个种组成，其中栽培水稻分为亚洲栽培稻（Oryza sativa）和非洲栽培稻（O. glaberrima）两个种（合称“亚非稻”），其余均为野生稻种。亚非稻种间杂种具有强大的杂种优势，但种间生殖隔离导致杂种不育和结实率低，无法体现杂种的产量优势。
S1座位是引起亚非稻种间杂种不育的最重要遗传座位，其作用可导致杂种中含亚洲稻型等位基因（S1-s）的雌配子和雄雄配子选择性败育，在后代群体产生严重的等位基因偏态遗传（偏向非洲型等位基因S1-g）。因此，S1-g是一个典型的自私基因座，对种间分化起重要作用，但其分子遗传机制一直不清楚。
2017年初，陈乐天课题组和刘耀光课题组合作，率先克隆了S1座位的一个关键基因OgTPR1（后续命名为S1TPR）。随后，日本科学家于2018年克隆了S1座位另一个基因SSP。但是，这两个基因都只是S1杂种不育的部分必要因子，导致S1杂种不育功能的充分条件还不清楚。
陈乐天课题组在后续研究中通过一系列基因敲除和功能互补实验发现：S1座位控制的杂种不育除了S1TPR还需要另外两个非洲稻等位基因座S1-g的特异基因S1A4 和S1A6参与才能发生（其中S1A6就是SSP）。
进一步研究表明：S1-g的三个连锁特异基因S1TPR，S1A4和S1A6共同形成一个杀手系统，在大孢子母细胞和小孢子母细胞中产生不育信号。该不育信号经减数分裂传递到配子产生对S1-s基因型配子的致死效应，但S1-g型配子因为有S1TPR的保护作用而育性正常。因此，陈乐天课题组提出了S1介导杂种不育的非对称遗传互作新机制。
为稻属起源于古大陆学说提供分子证据
为了明确S1A4-S1TPR-S1A6三基因S1复合遗传座位的起源与分化，陈乐天课题组分析了这三个基因在不同稻种的分布。结果显示，古大陆祖先型S1TPR通过单碱基突变产生了变异基因型S1TP（具有提前终止密码），该变体可能在古大陆分裂时期通过某一遗传瓶颈，最终迁移到亚洲大陆板块分布的普通野生稻（O. rufipogon）和亚洲栽培稻种中固定下来。
而非洲稻型S1A4-S1TPR-S1A6变体的起源则涉及祖先型S1TPR在古大陆的碱基变异和新基因S1A4和S1A6在S1TP两旁的插入，以及这些中间产物的多次重组，形成功能性变体进入非洲栽培稻的相关野生祖先种（如O. bathii），并最终固定在非洲栽培稻。
针对古大陆起源学说和基因组分子进化学说的时间差异，陈乐天认为基因组测序结果推断的稻属起源时间可能是由于测序样本只限于现代野生稻种（系），而无法获得及测定在进化过程中存在但已经灭绝的古老野生种（即可能是不完全系谱的结果），也不排除是由于长距离迁徙造成的后果。
“我们的研究为稻属起源于古大陆学说提供了分子证据。”陈乐天表示，该研究成果系统阐明了S1座位介导的种间杂种不育分子机制及其进化起源路线，为后续打破亚非稻种间杂种生殖隔离、促进种间杂种优势利用奠定了理论和技术基础。
中科院院士、华南农业大学教授刘耀光将该项研究揭示的亚非杂种不育分子机理通俗地比喻为：三个坏人联合下毒，然后其中一人负责对三人共同居住的家园消毒，进行自我保护，表现出“自私基因”的特性。他认为，该研究在理论上具有重要原创性，对加速我国水稻远缘杂种优势利用具有重大应用价值。
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招募“精兵强菌”为水稻高效“固氮”
氮素是促进作物增产的最关键因素之一。据统计，全球每年施用氮肥超过1.2亿吨，其中我国氮肥用量占全球氮肥总产量的35%，但氮肥利用率却远低于全球20%-30%。氮肥大量施用不仅增加农业生产成本，更导致土壤酸化、水体富营养化等环境问题。
已有研究表明，作物中某些基因控制着氮素利用效率，但这些基因如何发挥作用、对作物有何影响等机制尚不清楚，而这对于作物改良、提高氮素利用率至关重要。
近日，中科院遗传与发育生物学研究所白洋课题组与储成才课题组合作揭示了水稻关键因子“NRT1.1B”通过调控水稻根系微生物组，从而改变根际微环境，进而影响水稻籼粳亚种间的氮肥利用效率。相关成果发表于《自然-生物技术》。
根系微生物与水稻的“互助”
水稻是世界上最重要的粮食作物之一，世界上约90%的水稻在亚洲种植消费。亚洲栽培稻分为粳稻与籼稻两个主要亚种，它们在形态、发育与生理等方面都表现出不同的特征。
此前，储成才课题组研究发现，水稻中基因NRT1.1B的自然变异导致了籼稻比粳稻具有更高的氮肥利用能力。
“NRT1.1B编码一个硝酸盐转运蛋白，同时也是植物氮的感受器，它可以调控硝酸盐的吸收、转运和同化等各个环节，籼稻和粳稻NRT1.1B具有一个氨基酸的差别，从而导致其具有不同的氮肥利用效率。”储成才说。
在自然环境中，宿主植物与根系微生物群的协调是植物生长的关键。植物根系为微生物栖息繁衍提供一个“家”，同时微生物又“陪伴”植物的整个生命周期，帮助其吸收营养、抵抗外敌以及适应不同的胁迫环境。
土壤中的氮主要以硝酸盐、铵和有机氮的形式存在，而土壤中的微生物群落可以代谢不同形式的氮，这可能影响植物根系吸收氮的效率。
“根系微生物群落及其相互关系就是根系微生物组，过去限于技术手段，对水稻根系微生物组与植物互作的研究很少。”白洋告诉《中国科学报》，事实上，不仅是水稻，其他植物和根系微生物组之间互作关系研究目前还比较空白，多描述性研究，缺少原理性机制的证明。
“水稻根系微生物是否影响水稻生长？我们并不知道。”白洋说，他们希望认识水稻籼粳亚种根系微生物群变异与特定植物性状之间的关系，并确定引起根系微生物群变异的关键基因。这将对了解水稻根系微环境与水稻生长间的关系有重要意义。
“司令”NRT1.1B招募“精兵强菌”
为了使研究与实际水稻生长更接近，研究人员首先作了两年多的田间实验。
研究人员在实验田的两个不同区域分别种植了68个籼稻和27个粳稻品种并收集根系微生物，发现籼稻和粳稻根系微生物的组成存在明显差异，且籼稻根系富集的微生物组的多样性明显高于粳稻，而根系富集微生物组差异特征可作为区分籼粳稻的生物标志。
“一开始，我们并不知道是基因NRT1.1B单独影响氮利用，还是该基因改变根系微生物群后影响氮利用率。”白洋说，经分析发现，根系微生物群影响着水稻氮利用，且氮循环相关的微生物类群在水稻生长后期富集，“这暗示着可能是某些基因在调控它，关联分析证明NRT1.1B基因及其在籼粳稻中的自然变异显著影响了水稻根系微生物组构成。”
NRT1.1B基因像一个“司令”，招募大量的氮循环功能强大的“精兵强菌”集结在水稻根系周围，保障水稻生长在一个活跃的氮转化环境中，从而表现出高效的氮肥利用效率。
研究还发现，与粳稻相比，籼稻根系富集更多与氮循环相关的微生物类群，这也可能是导致籼稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一。
建立世界首个水稻根系细菌资源库
在田间实验发现规律后，研究人员并未止步，而是进一步证实了这一规律。
他们利用高通量微生物分离培养和鉴定体系，成功分离培养了水稻根系70%的细菌种类，建立了世界上首个系统的水稻根系细菌资源库。
“在实验室的精细实验表明，NRT1.1B基因的确能调控很多菌群，确实能帮助水稻来利用土壤中的有机氮，证实了籼稻与粳稻氮肥利用效率的差异与根系微生物组有关。”白洋说。
植物的根系微生物和动物的肠道微生物的功能有异曲同工之妙，在营养吸收利用、抗病抗逆能力等均具有重要作用。储成才告诉《中国科学报》，“这一工作启示了作物品种的精准设计除了要考虑植物本身的改良,还要考虑环境微生物的互作影响，这大大地拓展了育种思路。”
白洋表示，目前全世界在植物根系微生物组与植物氮高效的研究还处于空白，中国已经先行了一步，“不过，这只是非常初步的探索，比如根系微生物除了与植物氮利用相关，是否与其他过程相关？植物如何调控细菌使其成为益生菌？以及NRT1.1B基因如何导致根系微生物组的改变？等还需要更多的研究。”
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稻瘟病致病源自“里应外合”
稻瘟病菌引起的稻瘟病是水稻最严重的毁灭性病害，不仅发生于世界各地，而且有可能发病于水稻的各生育期，近年来每年给我国造成30亿公斤以上的粮食损失，甚至威胁着全球粮食安全。稻瘟病菌为什么这么“强大”？
日前，南京农业大学教授张正光课题组揭示了组蛋白乙酰转移酶介导细胞自噬控制稻瘟病菌致病的机制。该研究在线发表于细胞生物学领域权威期刊Autophagy。
该研究表明，组蛋白乙酰转移酶MoHat1是一支十分“狡猾”的部队，平时只留在细胞核中发挥作用，维持病菌生长发育。而在稻瘟病菌侵染寄主植物时，它们会“兵分两路”，一部分继续留在细胞核中“坐镇”，继续“补给粮草”，积蓄力量，侦察“军情”；另一部分进入细胞质中，结合“敌情”调整强化“武器配备”，保证病菌可以成功侵染。
也就是说，细胞核内和细胞核外的两支“部队”里应外合，是稻瘟病致病的重要成因。
已有报道发现，细胞自噬在稻瘟病菌附着胞的形成和致病中发挥至关重要的作用，但其具体的调控机制仍不清楚。
张正光团队前期研究中发现，组蛋白乙酰转移酶家族基因在稻瘟病菌侵染水稻早期高量表达。最近的研究进一步发现，该病菌营养生长时，组蛋白乙酰转移酶MoHat1高度磷酸化定位于细胞核中，而病菌接触、识别水稻后，MoHat1一部分继续留在细胞核中，而另一部分迅速去磷酸化，与热激蛋白MoSsb1结合，并在其帮助下进入细胞质中，对细胞自噬中的核心蛋白MoAtg3和MoAtg9进行乙酰化，实现对细胞自噬的精准调控，进而控制稻瘟病菌功能性附着胞的形成，助力病菌完成侵染。
“研究首次发现了组蛋白乙酰转移酶MoHat1磷酸化/去磷酸化决定其胞内定位，并解析了其在细胞质中发挥作用的生化机制，从而从生化与分子生物学水平将该病菌的细胞自噬与功能性附着胞形成及致病力紧密地联系起来。”张正光表示。
该论文的发表拓展了人们对植物病原真菌攻击寄主的认识，有助于认识稻瘟病原菌的致病机理，同时可望为设计高效、低毒的稻瘟病控制策略提供参考。（来源：中国科学报 王方）
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