选美选出个“抗病英雄”

万建民院士团队揭示水稻体内的“攻防战斗”

    期次:第917期    作者:宣传部 许天颖






  有进攻就有防御,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丰富的作战经验。它是怎么激发自身免疫系统开始战斗的?面对稻瘟病菌重兵压境,谁是哨兵?发现敌情后,它们如何传递军事情报抵抗侵略的?水稻是用什么战术作战的呢?
  在经历了8年的深入研究后,我校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,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工作机制,成功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,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《细胞研究》(CellResearch)。
“选美”专家选了个丑家伙
当看到几株水稻叶子出现了褐色的坏死斑点,就像老年斑一样,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,这几株染了稻瘟病的病秧子成为他目前最重要的科研发现,开启了水稻研究领域的一个新里程碑。
  那是2011年3月的一天,他在海南育种基地检阅他手下那十多万兵———十多万株水稻,当时这几株水稻正在抽穗。像农民一样,刘喜脸晒得黑黑的,为了加快育种速度,他像候鸟一样,冬天在海南,夏天回江苏、北京,培育水稻迭代育种。刘喜在海南种了10亩水稻,他的稻种太杂了,有三四千份不同的种子,一份种子种40株秧苗,每天在田间观察、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一遍。
  这几株本就不算什么,三四千份稻种最终只能有几个品种被选中,繁衍推广。几天后,他又看到了这几株丑家伙。“老年斑”在扩散,并且长势也很差,个子有点矮。他决定再等段时间再观察看看。一个月过去了,这8株丑家伙的“老年斑”虽然在继续扩大,但它们并没有死去,还跟其他正常水稻一样结了果实,虽然结实不多。
  到底是什么原因让这几株水稻长得如此之丑?看着丑家伙旁边俊俏的同伴们,刘喜陷入了深思并开始重点关注它们。到了收获时,他单独收获了这几株丑家伙,拿回到江苏继续种。在江苏种植这一代,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。继续种,看看你到底是个什么样。
  又种了两代,在连续自交纯合后,丑家伙的“丑样”终于稳定遗传下来了,连续出现了“老年斑”等特征,和第一代一样,虽然很丑,但也都能活下来,并繁育少量后代。2013年初,刘喜把它作为新的突变体材料向万建民院士作了汇报。万院士决定作为一个项目开始研究。
  基因定位确定“抗病英雄”的身份
这个项目交给了一个23岁的年轻小伙王家昌,当时他硕士一年级,指导老师王益华教授告诉他,这个项目做下去毕业没问题,但是能有什么发现就看你自己了。王家昌也没料想到这个项目能出大成果,他当时的打算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,王家昌开始运用遗传学、分子生物学手段对它进行细致地分析。从田间生长的表现来看,丑家伙开始显著变丑发生在水稻抽穗后,小时候,丑家伙也不丑,跟正常水稻看不出啥区别。
  遗传学分析发现丑家伙和正常同伴杂交的第二代,有1/4出现了丑家伙的表型,根据孟德尔遗传定律判断,控制的丑家伙“丑样”的是1个隐性遗传基因,这与刘喜老师之前的猜测一样。先做基因定位,把这个丑家伙的12条染色体与正常的品种对比,分段逐个筛查,看看到底是哪一个基因发生了突变。
  科研工作非常枯燥乏味。水稻基因有3万多个,王家昌和刘喜两人根据染色体的门牌号———分子标记,将丑家伙与俊同伴的染色体挨个做对比,终于在第九条染色体上找到了长相不一样的染色体片段。拿到这个片段后,两人开始入户摸排,进行基因测序,找这个隐藏很深的导致丑家伙“丑样”的幕后凶手。挨个分析了这个片段上的基因,终于找到一个与众不同的基因,利用生物化学方法分析发现,原来是丑家伙的一个正常基因被严重损坏了,丧失了功能!根据这个正常基因的特点,按照生物学界的起名规律,他们给这个基因起了个名字———Os鄄CNGC9,我们姑且叫它阿九吧。
  生物体中,离子通道就像一个城门,有专人值守,各种各样的离子都可以通过专用通道去往它们想去的地方。他们发现,钙离子比较喜欢走阿九职守的这座城门。
  了解到这些信息,王家昌有点迷茫,钙离子、阿九与丑家伙的种种“丑样”之间有什么关系?该向那个方向研究呢?两年时间内,他一直在摸索,找头绪,是钙离子和阿九影响了水稻的育性(结实率)吗?或者导致了水稻的衰老(生长性)?还有可能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什么关系呢?这家伙不会说话,要不就抓过来审问一番了。
  两年过去了,关注的几个研究方向均没有得到很好的结果,王家昌很焦虑。2015年下半年,他阅读文献发现,植物抗病过程中会有大量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(第一信史是生长激素),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。这个丑家伙身上的“老年斑”是很多重要免疫基因损坏后的表现特征。是阿九影响了情报传递吗?难道就是它在职守钙离子通道吗?
  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30亿公斤以上的粮食损失,全球每年损失的粮食可供6000万人吃一年。
  当他提出稻瘟病的研究方向时,导师万建民很感兴趣,给他提了一些建议,支持他继续研究。结合多年的田间观察,刘喜老师也支持这个方向。王家昌首先分析阿九是否有稻瘟病的抗病性。为了避免“老年斑”等其他因素对稻瘟病抗性分析的影响,他们选择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,新基因阿九和钙离子关系密切。看来阿九在抗病过程中还真是很重要,可能是一个抗病英雄。
“抗病英雄”的英雄壮举
新基因阿九的抗病机制是什么?它和其他基因是怎么协同作战的?需要研究的是阿九职守的“城门”到底是不是钙离子的专用通道。确定这一结论需要在动物细胞里进行电生理学实验。一个跨学科的研究问题摆在了他们面前,王家昌一直研究植物,突然转入动物学领域,感觉抓瞎了。
  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,把新基因阿九转化到人胚肾细胞中,如果阿九职守的是钙离子通道,那么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-200mV时,电流值达到了-100pA,确认了钙离子专用通道。
  在植物抗病过程中,钙离子是否也走这条通道呢?经过一系列的生理生化实验分析发现,由于阿九“牺牲”了,没人开启城门,钙离子通道丧失功能,“通讯兵”钙离子不能入城传递军情拉响警报,导致城内防御松懈,无人应战。研究者发现,丑家伙的其他免疫指标低于正常水稻。这表明阿九就是职守专用军事情报通道“情报官”,他们给阿九起个正式名字———环核苷酸离子通道9。
  此时又有一个疑问出现在了他们的脑海中,“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”钙离子顺利的入城集结拉响警报启动免疫反应呢?通过一列的生化实验,他们发现了另一个调控抗病反应的基因OsRLCK185,我们就称它为“哨兵”阿五。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,它确认“通讯兵”钙离子身份和情报,让钙离子入城拉响警报,启动水稻的自身免疫系统,抵御外敌入侵。
  这个实验开辟了一个新的研究领域,通过新基因OsCNGC9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,科学界认为这一发现为水稻抗稻瘟病育种提供了重要的材料和理论基础。
  文章通讯作者、万建民院士打了个生动的比喻,这一系列的过程犹如一场“攻防战斗”:“哨兵”阿五发现外敌入侵后向情报官阿九汇报,阿九开启“城门”,让“通讯兵”钙离子通过城门进入细胞内拉响“警报”,随后“卫兵”大量汇聚、释放重要信号、引发免疫系统反应,开始战斗。此前研究者们只是看到了“通讯兵”,对于之前的“情报官”和“哨兵”如何发挥作用知之甚少。
  “‘阿九’打开了我的科研之门。”文章共同第一作者、南京农业大学王家昌博士说,他将继续探究钙离子通道在植物里的其他功能。(宣传部 许天颖)