讓農(nóng)作物發(fā)揮自身免疫力

近年的研究發(fā)現(xiàn)，植物具有和動(dòng)物類似的先天免疫系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)病原侵染產(chǎn)生快速的防衛(wèi)反應(yīng)。善用植物自身的免疫力，可以讓我們?cè)谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大幅降低農(nóng)藥使用量，從源頭上保障食品安全。

植物病害的危害性

植物在其一生中會(huì)受到各種各樣病原微生物的侵襲。植物病害嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，是危及我國糧食安全的重大禍患，也對(duì)我國的食品安全、人類健康和農(nóng)產(chǎn)品出口等產(chǎn)生了重大危害。中國每年因?yàn)椴『?dǎo)致的作物減產(chǎn)損失達(dá)到幾百億元，另外長期大量使用農(nóng)藥而導(dǎo)致的作物中的農(nóng)藥殘留，對(duì)人體有嚴(yán)重危害，也污染我們的環(huán)境。目前，我們的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)，尤其是大宗農(nóng)作物和瓜果蔬菜仍然依賴于大量農(nóng)藥的使用，以達(dá)到防病除蟲、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目標(biāo)。我國是農(nóng)藥使用第一大國，年用農(nóng)藥170多萬噸，其中高毒農(nóng)藥使用量占總使用量的30%左右，我國單位面積化學(xué)農(nóng)藥的平均用量比世界發(fā)達(dá)國家高2.5～5倍。因此，農(nóng)藥的殘留對(duì)我們的食品安全構(gòu)成了最嚴(yán)重的威脅。要大幅降低農(nóng)藥使用量，從源頭上保障食品安全，必須從農(nóng)業(yè)科研提升上做起，而運(yùn)用植物自身的免疫力是一個(gè)重要方法。

植物也有免疫力

植物在其一生中會(huì)受到各種各樣病原微生物的侵襲，包括細(xì)菌、真菌、病毒和線蟲等。植物在這樣的環(huán)境中與病原菌長期共同進(jìn)化，其本身就獲得了多種抵抗病原菌入侵和限制入侵病原菌擴(kuò)散的能力，建立了一系列抵抗病原菌入侵的抗病機(jī)制。植物沒有動(dòng)物一樣的抗體免疫系統(tǒng)，但存在與動(dòng)物類似的、與生俱來的先天免疫反應(yīng)，因此，植物主要借助于先天免疫系統(tǒng)來產(chǎn)生主動(dòng)的抗病性。目前了解得比較清楚的有兩個(gè)植物先天免疫系統(tǒng)：其一是通過植物細(xì)胞表面受體系統(tǒng)，從某種意義上說有點(diǎn)像我們?nèi)祟惖挠|覺系統(tǒng)，用來感受病原菌所共有的分子特征，引發(fā)基礎(chǔ)的免疫反應(yīng)；其二是植物進(jìn)化出了專門對(duì)付某些病原菌變種的抗病基因，可以對(duì)這類病原菌產(chǎn)生免疫反應(yīng)（抗病）。

以上兩種免疫系統(tǒng)都有“信息兵”來探知侵略者的存在，從而通知植物的指揮中心產(chǎn)生相應(yīng)的抗病反應(yīng)，只不過前一路“信息兵”在細(xì)胞表面，后一路“信息兵”隱匿在細(xì)胞內(nèi)部。這樣，植物就如同擁有了“海陸空”的外圍和內(nèi)部防衛(wèi)力量來對(duì)付病原菌的入侵。植物就是在這兩類免疫系統(tǒng)的指揮下，抗御病害侵染的。植物開始時(shí)用“城墻和護(hù)城河”：植物表面有蠟質(zhì)、角質(zhì)、木質(zhì)素、硅細(xì)胞、胼胝質(zhì)等物理屏障，細(xì)胞中則預(yù)存有一些抗菌物質(zhì)，它們可以直接阻擋病原菌侵染。這種防衛(wèi)系統(tǒng)就好比是一座城市抵御外部入侵的第一道水泥與金屬防線。而當(dāng)病原菌侵入到細(xì)胞內(nèi)后，植物就啟動(dòng)一個(gè)“化學(xué)武器”戰(zhàn)斗系統(tǒng)：激活抗病的生理生化反應(yīng)和抗病基因。這個(gè)防衛(wèi)系統(tǒng)就好比是敵人攻進(jìn)城來后遇到的城防部隊(duì)的巷戰(zhàn)，它的功能是阻止病原菌對(duì)植株組織的進(jìn)一步傷害，降低發(fā)病程度，減少死亡。

為了食品安全，必須培育抗病農(nóng)作物

由于目前抗病育種技術(shù)的局限、耕作制度與栽培技術(shù)的調(diào)整以及氣候變化等原因，盡管人們?cè)谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中做出了持續(xù)不斷的努力，但病害防治的任務(wù)卻越來越重，重大病害出現(xiàn)的頻率和面積顯著增加。傳統(tǒng)作物病害（如水稻稻瘟病、紋枯病、小麥銹病、赤霉病等）的危害形勢依然嚴(yán)峻。在我國，水稻病害的年發(fā)病面積平均在2億畝左右，其中稻瘟病每年發(fā)病面積近8000萬畝，有的田塊甚至顆粒無收。每年水稻紋枯病的發(fā)病面積也超過了1億畝。小麥病害年均發(fā)生面積超過8000萬畝，導(dǎo)致嚴(yán)重的產(chǎn)量損失。

人在生病的時(shí)候需要吃藥，植物在“生病”的時(shí)候也可以“吃藥”，就是我們所熟知的農(nóng)藥。在20世紀(jì)中葉，少量農(nóng)藥就可以殺死病菌，但是長期用藥的結(jié)果就是使很多病蟲害慢慢產(chǎn)生了耐藥性，農(nóng)藥的劑量不得不逐年增加，直至失效。隨著對(duì)植物農(nóng)藥使用劑量的逐年加大，一系列嚴(yán)重的副作用產(chǎn)生了，包括對(duì)植物本身品質(zhì)的損害、環(huán)境的污染以及作物自身農(nóng)藥殘留對(duì)人體的戕害等。既然“吃藥”有副作用，那么提高植物自身的免疫能力就變得至關(guān)重要了。利用科學(xué)技術(shù)培育抗病農(nóng)作物，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，一直是育種家追求的目標(biāo)。因此，培育持久抗病品種是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切需求，是實(shí)現(xiàn)作物新品種改良，減少農(nóng)藥的使用，從生產(chǎn)源頭上保障農(nóng)產(chǎn)品安全的關(guān)鍵。

目前用幾種途徑可以培育抗病農(nóng)作物。一是利用傳統(tǒng)育種的方式，通過雜交培育新品種。當(dāng)前，在我國廣泛種植的許多優(yōu)良農(nóng)作物品種都是用這種雜交育種法培育而成的。科學(xué)家們可以將具有不同特性的同種作物進(jìn)行雜交，聚合對(duì)不同病原菌的抗性，從而培育出具有廣譜抗性的作物新品種。但是，采用雜交法抗病存在資源有限的問題，這是它的瓶頸所在。

二是隨著分子生物學(xué)的飛速發(fā)展，利用分子育種培育抗病農(nóng)作物的現(xiàn)代生物技術(shù)，越來越受到科學(xué)家的青睞。所謂分子育種，就是利用抗病基因的“指紋”，將不同抗病基因通過傳統(tǒng)雜交的方法聚合到一個(gè)優(yōu)良品種中；或者將其他植物的抗病基因通過轉(zhuǎn)基因方法轉(zhuǎn)到一個(gè)作物品種中，使之獲得新的抗病性。現(xiàn)在，科學(xué)家們已漸漸揭開了有關(guān)生命物質(zhì)本質(zhì)的神秘面紗。基因記錄著生物體內(nèi)的遺傳密碼，我們現(xiàn)在將不同生物間的基因利用轉(zhuǎn)基因等技術(shù)導(dǎo)入需要改良的作物品種中，從而設(shè)計(jì)出滿足人們需求的、安全的新型作物品種。比如，現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的抗蟲棉，就是通過基因工程技術(shù)將抗蟲基因?qū)氲狡胀藁ㄆ贩N中，從而獲得具有抗蟲特性的棉花新品種，使棉花產(chǎn)量得到較大程度的提高，同時(shí)也大大降低農(nóng)藥的使用量。這種技術(shù)可以跨越種屬，突破種間雜交不親和的瓶頸，并賦予生物新的遺傳性狀。

經(jīng)過多年的辛勤工作，我國作物育種家已經(jīng)培育出一大批具有抗病新特性的農(nóng)作物，在作物抗病育種與產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足進(jìn)步。但是，科學(xué)理論和關(guān)鍵技術(shù)體系的突破性與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀之間尚有很大差距，一是具有重要利用價(jià)值的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)抗病遺傳資源少，二是育種技術(shù)集成水平低。研究人員需要迅速獲得可用的抗性基因資源和優(yōu)化分子育種技術(shù)，包括分子輔助選擇，并且亟待在品種培育策略與技術(shù)上進(jìn)行重大創(chuàng)新。因此，如何進(jìn)一步認(rèn)識(shí)植物的免疫特性，并完善現(xiàn)有的抗病作物培育技術(shù)，是農(nóng)業(yè)科學(xué)家需要繼續(xù)努力的方向。國內(nèi)外成功的例子告訴我們，通過植物科學(xué)研究的重大突破，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)障礙的跨越是解決難題的最有效途徑。

在我國《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中，生物技術(shù)被列為優(yōu)先發(fā)展的前沿技術(shù)，其中，培育農(nóng)作物抗病新品種則是農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的核心組成部分之一。近年來，隨著功能基因組學(xué)和分子生物學(xué)的飛速發(fā)展，發(fā)掘關(guān)鍵基因并將其應(yīng)用于新品種的設(shè)計(jì)與培育，已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的重要技術(shù)手段。通過與常規(guī)技術(shù)相結(jié)合，抗病品種的分子設(shè)計(jì)與應(yīng)用能夠顯著提高育種效率，在增強(qiáng)作物抗病能力、提升農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量潛力方面顯示出了巨大的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。因此面對(duì)學(xué)科與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的雙重挑戰(zhàn)，我們必須從技術(shù)創(chuàng)新的源頭，開展作物免疫新理論與抗病育種新技術(shù)體系的建立和集成，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)新技術(shù)和生物種業(yè)的發(fā)展。

（作者簡介：何祖華，中國科學(xué)院上海生科院植物生理生態(tài)所研究員、國家“973”項(xiàng)目首席科學(xué)家；王牧陽，中國科學(xué)院上海生科院植物逆境生物學(xué)中心博士）