郭惠珊8年前的那個心愿終于實現(xiàn)了。9月26日，《自然—植物》雜志發(fā)表了郭惠珊團隊的新成果，該研究揭示了他們利用基因“小剪刀”——RNAi創(chuàng)建的抗黃萎病棉花新品系，來有效狙擊棉花“癌癥”黃萎病的秘密。

2008年8月，中科院微生物所研究員郭惠珊第一次在新疆看到綿延不斷的棉田。然而，她看到的不是令人欣喜的豐收景象，而是一片枯黃，遍地落葉，還有棉農(nóng)絕望的面孔。這一幕像釘子一樣扎在她心里，讓她瘋狂地想了解黃萎病究竟是怎么一回事。

最近，郭惠珊團隊先后發(fā)表了3篇文章，他們首次在全球揭示了黃萎病真菌如何“敲開”進入棉花體內(nèi)的“大門”；首次運用新型基因沉默技術——RNAi基因“小剪刀”阻止進入棉花體內(nèi)的病菌肆意擴散，并在陸地棉中培育出對黃萎病抗性較高的棉花新品系。

“這些研究理清了黃萎病致病機理，并創(chuàng)建新的抗病技術，對于減輕病害，提高棉花產(chǎn)量、改善棉纖維品質(zhì)，對實現(xiàn)脫貧致富和社會穩(wěn)定發(fā)展提供了科技支撐，是實現(xiàn)從理論研究走向應用，突破行業(yè)技術瓶頸的典型范例。”微生物所副所長東秀珠評價說。

揭示真菌如何進入棉花體內(nèi)

“棉花黃萎病會造成棉花植株葉片、蕾鈴干枯脫落，產(chǎn)量嚴重損失。”9月26日，郭惠珊在接受《中國科學報》記者采訪時說。

我國棉花年產(chǎn)量600萬~800萬噸，約占世界總產(chǎn)量30%，居全球首位，受黃萎病危害最為嚴重。作為中國最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，2015年新疆棉花種植面積達3400余萬畝，但黃萎病發(fā)病面積超過50%。

然而，由于引起該病害的病原在土壤40厘米的土層生活，且變異頻繁，傳統(tǒng)殺菌劑和化學藥劑防治難以奏效。而且其寄主多達120余種植物，傳統(tǒng)輪作抗病模式短期效果也不理想。

抗病先要找到致病機理，課題組通過反復試驗最終揭開了黃萎病菌的“遮羞布”，在全球首次揭示了黃萎病的“罪魁禍首”——大麗輪枝菌的侵染結(jié)構(gòu)。

“大麗輪枝菌是一種半活體寄生的真菌，平時以微菌核的形式在土壤里潛伏。一旦接觸到植物組織，它們就會像變形金剛一樣，產(chǎn)生‘釘子’狀的侵染結(jié)構(gòu)，擊穿植物的細胞壁，鉆入根維管組織內(nèi)部，然后逐步占領整個維管組織，導致植物萎蔫生病。”郭惠珊解釋說。

“然后，它又開始利用死亡的植株腐生，在植物養(yǎng)分被耗盡后，回到地下，等待機會開始新一輪危害。”郭惠珊說。

“小剪刀”讓致病基因沉默

防治棉花黃萎病最有效的方法是利用抗病品種。然而，我國大部分棉區(qū)90%以上的栽培品種屬于陸地棉，由于缺乏抗病種質(zhì)資源，抗黃萎病種質(zhì)創(chuàng)新舉步維艱。

郭惠珊團隊另辟蹊徑，采用RNAi對這個狡猾的植物“殺手”展開了攻擊，設法研制新的陸地棉抗病品系。

RNAi是雙鏈RNA產(chǎn)生的一小段RNA，可以對同源靶標RNA進行切割或抑制轉(zhuǎn)譯，郭惠珊將其比作基因的“小剪刀”。東秀珠介紹說：“這種新型基因沉默技術就像打靶，打到哪里，就不再讓目標靶基因發(fā)作。”

就是用這把“小剪刀”，研究人員利用RNAi技術，在早熟陸地棉中培育出了抗黃萎病的新品系，經(jīng)鑒定，其抗黃萎病性相對對照品種提高了22.25%。相關成果今年6月發(fā)表于《分子植物》。

“通過RNA干擾技術，棉花可以讓大麗輪枝菌進入其體內(nèi)，但不會讓它通過棉花的維管束系統(tǒng)正常擴展，不會讓它走到棉花的每個細胞。”郭惠珊課題組博士后高峰補充說。

在中科院先導專項B類評審會上，陳宜瑜院士、匡廷云院士等認為，這項研究意義重大，有很大的應有價值。

新品系自帶“跨界”抗病療效

那么，新棉花抗病品系是如何抵抗黃萎病的呢？課題組進一步研究發(fā)現(xiàn)，抗病性較好的植物會誘導積累一類植物內(nèi)源小核糖核酸（miRNAs），它們能夠跨越植物和病菌之間的界限，轉(zhuǎn)運到病菌細胞中，降解病菌的致病基因，從而達到抗病的效果。這項發(fā)表于《自然—植物》的研究首次證明了，植物—真菌跨界小RNA誘導病原靶基因沉默的抗病新途徑的存在。它為HIGS技術在棉花抗黃萎病的有效應用提供了重要的理論支持，也為將來宿主—病原菌互作研究開辟了一個新領域。

“郭老師針對植物病理學進行的研究屬于一個重大的基礎戰(zhàn)略問題。”微生物所植物基因?qū)W國家重點實驗室副主任錢韋說，中國用世界上7%的土地養(yǎng)活了世界上30%的人口，其代價是我國農(nóng)藥施用量也占全球的30%。他認為，用農(nóng)藥殺滅病菌、昆蟲已經(jīng)走到了窮途末路。

“植物病理學家都有一個夢想，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)。”錢韋認為，郭惠珊課題組此項研究的意義在于，首次發(fā)現(xiàn)了“寄主把自己的小RNA打入真菌體內(nèi)，來控制真菌的生理活動”的方法。相當于利用了植物已有的免疫系統(tǒng)，加入了RNAi“小剪刀”，提高了棉花的抗病能力。

“這是重大基礎研究真正帶動了重大技術障礙的突破的范例。”錢韋說，“中國正在討論基礎研究要不要投那么多？是不是白花錢？事實上并非如此，好的基礎研究就是最好的技術。”

不過，在郭惠珊看來，這只是萬里長征的第一步。“這只是利用一個‘小剪刀’將棉花的抗黃萎病水平提高了22.5%，是‘0到1’的工作。”她表示，未來還有從1~100的工作需要完成，她將與黃萎病“死磕到底”。接下來，團隊將建立各種各樣的高效RNAi“小剪刀”靶標庫，篩選出更多更高效的抗黃萎病棉花新品系，讓更多新疆的棉農(nóng)能夠早擺脫黃萎病帶來的痛苦。