抗性基因助力油菜“抗癌”

冬種“一粒籽”，夏獲“萬(wàn)斤油”。油菜是我國(guó)最重要的油料作物之一，其所產(chǎn)菜籽油是國(guó)產(chǎn)植物油的第一大來(lái)源，在我國(guó)食用油市場(chǎng)種具有舉足輕重的地位。

而菌核病是我國(guó)油菜主產(chǎn)區(qū)的最主要病害，也被稱(chēng)作油菜“癌癥”，嚴(yán)重影響油菜高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和菜籽油品質(zhì)。因此，提高油菜菌核病抗性，已然成為當(dāng)前比較重要且迫切的育種目標(biāo)之一，也是讓“油瓶子”多裝“中國(guó)油”的重要保障。

近日，揚(yáng)州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授王幼平團(tuán)隊(duì)研究克隆了調(diào)控油菜菌核病抗性的關(guān)鍵基因BnaA07.MKK9，并揭示該基因調(diào)控油菜菌核病性的分子機(jī)制，為深入理解油菜抗菌核病分子機(jī)理奠定基礎(chǔ)，并為菌核病抗性改良提供了重要基因資源。相關(guān)研究成果在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然—通訊》上在線(xiàn)發(fā)表。

菌核病為何成油菜“癌癥”

油菜生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中會(huì)遭受多種環(huán)境脅迫的威脅，其中菌核病是最常見(jiàn)、危害最大的一種病害。

油菜菌核病是由核盤(pán)菌引發(fā)的真菌病害，寄主范圍非常廣，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性很強(qiáng)，因此，在油菜20 多個(gè)生產(chǎn)省市地區(qū)均能發(fā)現(xiàn)菌核病發(fā)生的“蹤跡”，給油菜的種植和產(chǎn)量帶來(lái)了極大的威脅和挑戰(zhàn)。

“核盤(pán)菌主要依靠菌絲侵染寄主，”王幼平告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，一旦成功入侵，核盤(pán)菌便會(huì)如同“鳩占鵲巢”般無(wú)情地破壞寄主細(xì)胞，汲取內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)，影響油菜自身的抗病防御能力。

“核盤(pán)菌可以侵染油菜的多個(gè)組織和部位，其中對(duì)成株期莖稈的影響最大。它可導(dǎo)致莖稈腐爛，使其喪失汲取營(yíng)養(yǎng)的能力，最終導(dǎo)致油菜的枯萎。”王幼平進(jìn)一步介紹，因傳播途徑廣、致病性強(qiáng)，菌核病被稱(chēng)為油菜“癌癥”。

油菜是我國(guó)種植面積第一的油料作物，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)油料自給自足意義重大。然而，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的油菜種植區(qū)幾乎每年都會(huì)遭受菌核病的侵襲。在發(fā)病較輕的地區(qū)，菌核病發(fā)病率在10％~30％之間，發(fā)病較重的地區(qū)發(fā)病率達(dá)到80％以上，造成油菜籽嚴(yán)重減產(chǎn)和品質(zhì)下降，直接造成經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元。

“菌核病‘勢(shì)力強(qiáng)大’，除了油菜之外，大豆，花生等其他油料作物也是這種病原菌的受害者?！蓖跤灼奖硎?，盡快找到攻克病害的“利器”刻不容緩。

尋找抗性基因

面對(duì)沉疴，如何開(kāi)方？王幼平介紹，關(guān)于控制菌核病危害的方法，目前生產(chǎn)上主要采用栽培管理、化學(xué)及生物防治和利用抗病品種等。然而，栽培管理雖為基礎(chǔ)，但其防治效果往往不盡如人意；而化學(xué)及生物防治方法盡管能在一定程度上控制病害，但高昂的成本高和潛在的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，使得這些方法并非長(zhǎng)久之計(jì)。

王幼平說(shuō)：“培育抗菌核病油菜品種是防治菌核病最為經(jīng)濟(jì)、有效的措施。但是目前還面臨諸多困難和挑戰(zhàn)，例如抗病基因資源尚不充足，抗性基因定位進(jìn)展緩慢，嚴(yán)重限制了菌核病抗性育種的進(jìn)程?！?/p>

為了攻克這個(gè)難題，王幼平帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)啟了多年的科研攻關(guān)，在無(wú)數(shù)次的失敗和嘗試后，終于迎來(lái)了突破性進(jìn)展——通過(guò)對(duì)來(lái)自不同地區(qū)的322份油菜材料進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析，成功定位并克隆一個(gè)油菜抗菌核病關(guān)鍵基因BnaA07.MKK9。

不僅如此，團(tuán)隊(duì)在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該基因的mRNA水平、蛋白水平及翻譯后水平均受核盤(pán)菌顯著誘導(dǎo)?！皩?duì)油菜中該基因進(jìn)行過(guò)表達(dá)分析，發(fā)現(xiàn)葉片病斑面積及莖稈病斑長(zhǎng)度均顯著減小，而敲除這個(gè)基因后其抗病性顯著降低，進(jìn)一步證明了該基因油菜抗菌核病過(guò)程中的正調(diào)控作用。”論文第一作者、該院博士后林俐說(shuō)。

林俐介紹，該基因所編碼的蛋白在核盤(pán)菌侵染后被磷酸化激活，從而進(jìn)一步磷酸化激活BnaC03.MPK3/6，最終通過(guò)調(diào)控乙烯、植保素和吲哚族硫苷等抑菌物質(zhì)的合成以有效提升油菜的抗病能力。

為分子育種提供更多資源

有了新型抗性基因這把“密鑰”，王幼平團(tuán)隊(duì)迫不及待地打開(kāi)了油菜抗性品種選育的“寶庫(kù)”大門(mén)。

團(tuán)隊(duì)對(duì)BnaA07.MKK9基因進(jìn)行了單倍型分析，發(fā)現(xiàn)其主要存在三種單倍型（Hap0、Hap1和Hap2）。在田間試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)三種單倍型對(duì)菌核病的抗性表現(xiàn)有差異，其中Hap0的抗性最強(qiáng)，而Hap1的抗性最弱。相較于感病單倍型Hap1而言，Hap0可提高菌核病抗性30%，表明該單倍型可能在后期抗性育種具有較大的應(yīng)用潛力。

“更有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)該優(yōu)異單倍型在抗性育種中受到正向選擇?！蓖跤灼竭M(jìn)一步解釋?zhuān)?jīng)過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，感病單倍型在春性油菜中普遍存在。此外，早期的雙低（低硫苷、低芥酸）育種的親本供體竟然也屬于感病單倍型，可以推測(cè)“雙低育種”使得油菜種質(zhì)中感病單倍型的占比逐漸增加。

然而，隨著農(nóng)業(yè)科技的不斷進(jìn)步，抗病育種逐漸受到重視與加強(qiáng)，抗病單倍型開(kāi)始嶄露頭角，其占比逐漸攀升，這也證實(shí)了抗病基因在育種中受到了正向選擇。

科研之路,道阻且長(zhǎng)。王幼平認(rèn)為，徹底攻克油菜“癌癥”——菌核病，絕非一朝一夕的工作，目當(dāng)前的研究?jī)H僅是這場(chǎng)“長(zhǎng)征”的起始站。展望未來(lái)，團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)結(jié)合蛋白結(jié)構(gòu)改造結(jié)合基因編輯，在短期內(nèi)創(chuàng)建自然界中不存在的優(yōu)異單倍型，從而加速抗性分子育種的步伐。此外，還將通過(guò)其他生物技術(shù)手段，將已公布的抗性相關(guān)基因進(jìn)行聚合，獲得高抗油菜新種質(zhì)。