我國主要農作物病害災變機制與綜合防控研究進展:2018年-2022年

劉文德, 代玉立, 邵小龍, 張 昊, 陳華民, 靳懷冰, 劉文文,彭 煥, 張丹丹, 李智強, 錢國良, 劉太國, 陳捷胤

(1. 中國農業科學院植物保護研究所，植物病蟲害綜合治理全國重點實驗室，北京 100193；2. 福建省農業科學院植物保護研究所，福州 350013；3. 南京農業大學植物保護學院，南京 210095)

農作物病害是造成糧食重大產量損失和品質下降的主要因素,嚴重威脅我國的糧食安全。此外,植物病原真菌還可產生真菌毒素,如黃曲霉Aspergillusflavus產生的黃曲霉毒素、鐮刀菌Fusarium產生的鐮刀菌毒素、青霉屬Penicillium和曲霉屬Aspergillus真菌產生的赭曲霉毒素以及麥角菌屬Claviceps產生的麥角堿等。這些混雜在糧食和飼料中的真菌毒素易引發急、慢性中毒和誘發癌癥,嚴重威脅人畜的生命健康。近年來,盡管我國化學農藥使用量已實現了“負增長”,但是每年的農藥防治面積仍十分龐大,達5.6億hm2次以上,是我國耕地面積的4倍多。農業生態環境污染現象依然存在,農藥殘留超標仍時有發生[1]。因此,農作物病害綜合防治事關我國糧食安全、生態安全、農產品質量安全以及人民生命健康。

“十三五”以來,隨著種植業結構調整、氣候與生態環境變化以及國際貿易日趨便捷和頻繁,農作物病害發生與危害規律發生了根本性演替,對我國農業持續豐收構成嚴重威脅。原生性有害生物頻繁暴發,災害持續不斷,經濟損失巨大,如小麥赤霉病、稻瘟病、水稻病毒病、棉花黃萎病等大規模連年發生,危害程度之重、持續時間之長均為歷史罕見。據統計,小麥赤霉病在中國年均發生面積已超過560萬hm2,占全國小麥總面積的25%,大流行年份發病率超過50%,減產可達20%以上[2]。鐮刀菌產生的多種真菌毒素污染小麥,影響人畜健康,據抽檢結果顯示,我國小麥和飼料樣品中毒素檢出率高達71.0%～95.8%,超標率從2012 年的1%上升到2016 年的18.7%[3]。黃萎病在棉花主產區持續加重,年均損失60億元左右,且成為馬鈴薯、茄子、向日葵等作物的新發病害。危險性外來有害生物入侵所造成的生物災害問題不斷凸現,如梨火疫病、小麥矮腥黑穗病存在擴散風險。部分次要病害因種植結構調整、氣候變化等因素,已逐漸發展成為毀滅性災害,如稻曲病一直以來被認為是水稻上的次要病害,但是由于近十幾年高產雜交品種和高水肥栽培模式的大力推廣,導致稻曲病上升為我國水稻上最重要的病害之一。因此,積極開展重大病害暴發成災機制和作物抗性機制研究,研發監測預警、綠色防控等技術和產品,為重大病害的可持續治理提供科技支撐,已成為植物病理學科發展的永恒課題和挑戰。

植物病理學科相關理論和技術的創新與突破是植物病害綠色防控的關鍵,是我國糧食安全、生態安全、生物安全和農產品質量安全的重要保障。近年來,我國眾多的研究單位和科技工作者以農作物重大病害為研究對象開展了系列研究工作,并取得了許多重要進展。本文主要概述了2018年-2022年我國學者在重要農作物(水稻、小麥、玉米、棉花等)真菌病害、卵菌病害、細菌病害、病毒病害、線蟲病害致病性和抗病性方面的重要研究進展,并總結了各類病害新近發展的監測預警及綠色防控關鍵核心技術。同時,比較了我國植物病理學科研究水平與發達國家的差距及我國存在的主要問題,并提出了未來的發展趨勢和對策建議。

1 研究進展

1.1 農作物真菌病害

1.1.1主要農作物病原真菌的致病性

在致病相關基因調控下,植物病原真菌可有效黏附于寄主表面,形成侵染結構,成功侵入寄主植物,完成體內定殖與擴展。近年來,我國科學家以水稻、小麥、玉米、棉花、油菜等重要農作物上的主要病原真菌為研究對象,圍繞致病關鍵基因調控病原菌生物學及其致病分子機制研究方面取得了系列重要進展。在水稻稻瘟菌Pyriculariaoryzae、稻曲病菌Ustilaginoideavirens致病機理方面,張正光團隊報道了稻瘟菌輔助活性因子MoAa91不僅參與附著胞形成,而且作為幾丁質結合蛋白與水稻CEBiP蛋白競爭結合幾丁質,從而抑制幾丁質誘導的植物免疫反應,促進稻瘟菌的侵染[4]。稻瘟菌輔助因子MoSwa2通過調控COPⅡ囊泡的解聚,介導效應子的外泌,從而抑制寄主活性氧的迸發,促進稻瘟菌在水稻中的成功定殖[5]。王國梁團隊通過鑒定稻瘟菌效應蛋白MoCDIP4在水稻中靶標線粒體分裂相關的OsDjA9-OsDRP1E蛋白復合體,探究了線粒體分裂和抗病反應的相互作用關系,同時發現MoCDIP4與OsDjA9通過影響OsDRP1E蛋白的豐度調控水稻的線粒體分裂和免疫反應[6]。在真核生物中保守的能量調節蛋白SnRK1A與XB24(XA21結合蛋白24)互作,并使其Thr83氨基酸磷酸化,從而提高ATP酶活性,調控植物免疫信號途徑。孫文獻團隊發現在侵染初期,稻曲病菌分泌效應蛋白SCRE1競爭性與OsXB24互作,一方面阻礙了XB24與ATP結合,另一方面抑制了SnKR1A與XB24互作,從而抑制SnRK1A-XB24磷酸化級聯和ATP酶活性[7]。劉永鋒團隊從稻曲病菌分泌液中鑒定到一個在真菌中保守的微生物相關分子模式(microbe-associated molecular patterns,MAMPs),富含絲氨酸-蘇氨酸的糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白SGP1,它是一種新型、熱穩定的蛋白類激發子,植物能特異性識別SGP1中保守的22個氨基酸肽段(SNP22)以誘導植物的細胞死亡和抗病性反應,SNP22在稻曲病菌進化和適應性生存中具有在水稻葉部誘導水稻對病原菌的抗性,在穗部參與病原菌致病性的雙重作用。該結論為解析稻曲病菌與水稻互作的分子機制研究奠定了重要的理論基礎[8]。

小麥條銹病是我國小麥生產上的一種重要真菌病害。近年來,康振生團隊在條銹菌Pucciniastriiformisf.sp.tritici中連續發現多個效應子操控寄主免疫的致病新機制:富含絲氨酸的效應子Pst27791作為重要的致病因子靶向寄主感病激酶TaRaf46,抑制寄主活性氧積累、防御基因表達及MAPK級聯通路激活,促進條銹菌侵染[9];效應蛋白Pst_A23直接與可變剪接位點特異RNA基序結合調控寄主抗病相關基因的可變剪接,抑制寄主免疫反應,促進病菌侵染[10];條銹菌特異效應子PstSIE1能夠在體內和體外與抗性相關鋅結合蛋白TaRAR1競爭性結合免疫因子TaSGT1,進而干擾TaSGT1-TaRAR1復合物的形成以抑制寄主免疫[11]。這些研究明確了效應子調控小麥免疫機理,對開發新的條銹病防控策略具有重要意義。

在小麥赤霉病致病機理研究方面,許金榮團隊解析了小麥赤霉菌F.graminearum蛋白激酶PKA通過磷酸化Set3脫乙酰化復合體的核心組件FgSnt1,使其N末端和C末端區域之間的自抑制相互作用得以實現,進而調控Set3脫乙酰化復合體的活性[12];馬忠華團隊研究發現甾醇生物合成抑制劑(sterol biosynthesis inhibitor,SBI)能夠激活病菌體內高滲透甘油激酶信號途徑,被激活的FgHog1激酶進入細胞核磷酸化轉錄因子FgSR,進而將染色質重塑復合體SWI/SNF招募至藥靶基因(FgCYP51s)的啟動子區,引起藥靶基因高水平轉錄,轉錄因子FgSR的發現有望成為治理真菌耐藥性的關鍵靶點[13]。許金榮團隊和劉慧泉團隊合作發現孤兒分泌蛋白Osp24對赤霉病菌在穗軸中的擴展具有重要作用,同時Osp24可靶向小麥TaSnRK1α激酶,招募泛素-26S蛋白酶體以加速TaSnRK1α的降解,從而導致小麥感病[14];胡小平團隊揭示了我國主要麥區單麥穗鐮刀菌種群的多樣性,其中亞洲鐮刀菌F.asiaticum和禾谷鐮刀菌F.graminearum是我國麥區的優勢種群;隨著麥穗上鐮刀菌種群多樣性的增加,DON、15Ac-DON和ZEN毒素的含量顯著降低,但NIV毒素含量明顯增加[15]。

在玉米病原真菌致病機理方面,劉文德團隊和董金皋團隊分別在玉米炭疽菌Colletotrichumgraminicola和大斑病菌Exserohilumturcicum中鑒定到20多個具有CFEM (common in fungal extracellular membrane)保守結構域的蛋白,這些蛋白在病原菌侵染玉米過程中具有正向調控其侵染以及抑制玉米細胞程序化死亡的生物學功能[16-17];唐威華團隊研究發現玉米細胞壁相關受體激酶ZmWAK17對赤霉病菌引起的莖腐病具有抗病功能,而禾谷鐮刀菌分泌的CFEM效應子與玉米胞外蛋白ZmWAK17ET和ZmLRR5結合,抑制了ZmWAK17的抗病功能[18];Turgeon團隊在玉米小斑病菌Bipolarismaydis中發現核糖核酸酶NUC1是小斑病菌的毒力因子[19]。

在棉花黃萎病菌效應子研究方面,郭惠珊團隊發現大麗輪枝菌Verticilliumdahliae的聚多糖脫乙酰酶基因(VdPDA1)對幾丁質寡糖具有去乙酰化作用,使幾丁質寡糖不能被寄主植物的受體識別,抑制了寄主的免疫反應[20];張杰團隊發現大麗輪枝菌效應子VdSCP41能夠進入寄主細胞核內,直接靶向植物重要免疫轉錄因子CBP60g和SARD1,干擾CBP60g轉錄活性,抑制下游植物免疫而實現毒力功能[21];陳捷胤團隊發現大麗輪枝菌利用Asp型CFEM從寡營養環境奪取鐵元素和Asn型CFEM抑制免疫反應,從而奪取寄主鐵元素并逃逸免疫以促進其在維管束定殖[22];該團隊通過系統梳理上述已經鑒定出的大量具有致萎活性的分泌蛋白,明確這些分泌蛋白通常發揮降解植物細胞壁、操控寄主免疫、干擾植物激素信號、細胞毒性、清除活性氧、營養代謝、菌絲生長和調控微生物群落等功能,并引起寄主葉片黃化萎蔫;同時發現這些分泌蛋白可以引起導管堵塞并具有細胞毒性,最終造成葉片黃化萎蔫,是黃萎病“堵塞”的重要誘因,平息了黃萎病“毒素”和“堵塞”兩種學說的長期爭論[23]。

在大麗輪枝菌群體結構與基因組研究方面,陳捷胤團隊研究發現落葉型大麗輪枝菌通過水平轉移從枯萎病菌獲得特異基因片段(VdDfs),該片段編碼蛋白參與N-酰基乙醇胺(NAE12:0)的合成并轉運至棉花,進而干擾棉花體內的磷脂代謝通路,增強了植物對脫落酸(ABA)的敏感性,最終在大麗輪枝菌毒力功能的協作下引起了寄主葉片脫落[24];該團隊基于大麗輪枝菌1號、2號和3號生理小種的基因組測序,鑒定出3號生理小種的無毒基因VdR3e,研發出大麗輪枝菌3號生理型分子檢測技術[25];在解析大麗輪枝菌黑色素合成的基因簇、關鍵聚酮合酶及轉錄調控因子的基礎上進一步闡明了聚酮合酶VdPKS9調節大麗輪枝菌營養體生長和菌核形成的分子機制[26-27]。在棉花枯萎病研究方面,馬平團隊就我國新發現的枯萎病菌F.oxysporumf.sp.vesinfectum菌株的形態學、產生的毒素種類以及致病力情況進行了詳細分析,明確鐮刀菌酸是棉花枯萎病菌產生的主要毒素,致病力與毒素的含量呈正相關[28]。

在其他作物病原真菌致病機制研究方面,姜道宏團隊發現了參與核盤菌Sclerotiniasclerotiorum致病及發育相關蛋白SsEmp24及其互作蛋白SsErv25,這2個蛋白的功能缺失導致核盤菌生長、菌核及侵染墊形成異常,致病力顯著下降[29];歐陽壽強團隊與美國加州大學河濱分校Katherine A. Borkovich團隊合作揭示了尖孢鐮刀菌F.oxysporum效應子Fol-milR1跨界后通過調控寄主抗枯萎病重要基因的表達,同時與寄主SlyAGO4a蛋白結合,干擾寄主防御反應,該研究拓展了番茄-尖孢鐮刀菌互作研究視角,為番茄抗枯萎病育種提供了新策略[30]。

1.1.2主要農作物對真菌病害的抗病性

植物抗病性與其眾多優良農藝性狀是拮抗關系。李家洋團隊和陳學偉團隊合作鑒定出一個典型的多效基因IPA1,IPA1可以調控水稻生長發育、抗病性、環境適應性等,增加IPA1在水稻中的表達量可增加水稻的穗粒數,但是會導致分蘗數降低,影響增產潛力[31]。但也有關于水稻抗性與產量協同進化的報道,王文明團隊發現了一種由稻曲病菌胞質效應子介導的致病新機制,并以該效應子為分子探針在水稻上挖掘到一個顯著提高抗稻曲病、同時不影響水稻產量的基因,為培育高產抗稻曲病水稻提供了理論支撐[32]。

在水稻抗病機制解析方面,何祖華團隊發現RRM(RNA-recognition motif)轉錄因子PIBP1特異性地與PigmR及其他類似的核苷酸結合結構域和亮氨酸富集重復區的受體類蛋白(nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat receptors,NLRs)互作,PigmR促進PIBP1在水稻細胞核中積累,增強水稻對稻瘟病的抗性[33];劉文德團隊聯合陳小林團隊利用多組學策略,發現水稻在chitin和flg22誘導下差異表達基因中有許多防御相關基因和一些關鍵的生長防御平衡主調節基因在水稻模式觸發的免疫(pattern-triggered immunity,PTI)響應過程中介導生長-抗病之間的平衡[34];劉文德團隊篩選到稻瘟菌無毒蛋白AvrPi9在水稻中的一個互作蛋白ANIP1,它通過與泛素受體蛋白OsRPN10、OsRPN13等結合介導自身的降解,從而負調控水稻的基礎防御反應,進一步研究發現在無Pi9的水稻中,AvrPi9可以通過維持ANIP1的穩定性促進其對稻瘟菌抗性的正調控因子OsWRKY62 的降解,以達到減弱寄主免疫反應的目的[35]。何祖華團隊研究發現水稻廣譜抗病受體蛋白NLR通過保護免疫代謝通路免受病原菌攻擊,協同整合植物PTI和效應蛋白觸發的免疫(effector-triggered immunity,ETI)反應,進而賦予水稻廣譜抗病性[36];王文明團隊揭示了Osa-miR160a-OsARFs模塊調控水稻對稻瘟菌、白葉枯病菌Xanthomonasoryzaepv.oryzae和紋枯病菌Rhizoctoniasolani的廣譜抗性及其機制[37];NLR受體蛋白Piz-t賦予水稻對稻瘟菌的廣譜抗性,環型E3連接酶互作蛋白APIP10負調控Piz-t在水稻中的積累。寧約瑟團隊發現APIP10與兩個水稻轉錄因子OsVOZ1和OsVOZ2互作,并通過26S蛋白酶體途徑促進其降解,OsVOZ1在植物中表現出轉錄抑制活性,而OsVOZ2具有轉錄激活活性,OsVOZ1和OsVOZ2負調控水稻的基礎防御反應,但對Piz-t介導的免疫反應有積極貢獻[38]。

感病基因通過促進病原菌識別、侵入寄主或負調控植物免疫反應發揮感病功能。康振生院士團隊鑒定了多個小麥感病基因,通過基因編輯技術突變這些感病基因,顯著提高了小麥對條銹菌的抗性。如類鈣調磷酸酶B樣蛋白(calcineurin B-like proteins,CBLs)互作蛋白激酶(CBL-interacting protein kinases,CIPK)參與調節植物鈣信號依賴的各種生理過程。水稻中OsCIPK14/15為倍增基因,正調控微生物相關分子模式誘導的防御反應,小麥的同源蛋白TaCIPK14和TaCIPK15與水稻OsCIPK14/15蛋白不同,瞬時沉默TaCIPK14后,小麥對條銹菌的抗病性顯著提高,伴隨著產孢減少、H2O2積累增加和病程相關基因顯著上調表達;過表達TaCIPK14的轉基因材料對條銹菌感病性增加;利用CRISPR/Cas9基因組編輯技術在六倍體小麥中同時敲除了A、B、D基因組中的TaCIPK14基因,創制出不影響其他農藝性狀的廣譜抗病材料[39]。同時,康振生院士團隊挖掘出全球首個被病菌毒性蛋白利用的小麥感病基因TaPsIPK1——編碼胞質類受體蛋白激酶,該激酶能夠被條銹菌分泌的毒性蛋白PsSpg1劫持,從細胞質膜釋放進入細胞核,在細胞核操縱轉錄因子TaCBF1,抑制抗性相關基因的轉錄,增強TaPsIPK1的轉錄水平,放大TaPsIPK1介導的感病效應,促進小麥感病;利用基因編輯技術精準敲除感病基因TaPsIPK1,破壞了毒性蛋白和感病基因的識別和互作,實現了小麥對條銹病的廣譜抗性;在進一步的在大田試驗中,小麥編輯品系在保持作物主要性狀品質的前提下,展現出了高抗條銹病的特點,具有很好的應用潛力[40]。

相較于其他真菌病害,小麥赤霉病的抗性基因極為匱乏,正式命名的小麥赤霉病抗性基因只有7個(Fhb1～Fhb7)[41-43]。近年來,我國科學家在小麥抗赤霉病基因克隆和利用方面取得重大突破,孔令讓團隊成功克隆了來源于長穗偃麥草Elytrigiaelongata的抗赤霉病主效基因Fhb7。該團隊利用小麥-十倍體長穗偃麥草的代換系7E2/7D和7E1/7D進行基因定位,并利用二倍體長穗偃麥草的基因組進行候選基因篩選,最終發現Fhb7編碼一個谷胱甘肽S-轉移酶,可以破壞DON等毒素的環氧基團而產生解毒效應,賦予小麥對赤霉病的廣譜抗性,并成功應用于小麥育種[41],為小麥抗赤霉病育種提供了遺傳材料和理論指導。

在玉米抗病基因挖掘及其抗病機制研究方面,段燦星團隊通過單細胞測序繪制了玉米根尖高分辨率細胞圖譜,闡明了玉米根尖主要細胞類型對鐮刀菌侵染根系的應答機制和關鍵基因調控模塊,構建了玉米根尖免疫調控網絡[44]。發育調控與免疫應答的平衡是玉米研究領域的重大課題,吳慶鈺團隊解析了玉米信號開關分子—G蛋白可同時調節分生組織發育和免疫信號傳導的雙重調控機制[45];王官鋒團隊發現一類植物體內的半胱氨酸蛋白酶metacaspase(MC)通過與NLR類免疫受體蛋白Rp1-D21互作改變其亞細胞定位,進而抑制玉米細胞程序化死亡[46];儲昭輝團隊成功從玉米中克隆到抗紋枯病基因ZmFBL41,該基因通過調控細胞壁重要組分木質素的生物合成而增強植物抗病性[47]。

此外,我國科研人員還克隆了大量玉米抗病新基因。嚴建斌團隊通過多組學手段克隆出2個抗玉米小斑病的新基因ZmFUT1和MYBR92[48];賴志兵團隊成功地從玉米祖先大芻草Euchlaenamexicana中克隆了對玉米大斑病、玉米南方銹病和玉米灰斑病表現廣譜抗病性的新基因ZmMM1,并鑒定到了一個能夠增強ZmMM1蛋白翻譯水平的調控序列qLMchr7C117,從而揭示了玉米廣譜抗病性的分子機制,為玉米抗病遺傳改良提供了新的抗性資源[49];楊平團隊聯合瑞士蘇黎世大學Beat Keller團隊和德國KWS育種集團Milena Ouzunova團隊完成了玉米抗大斑病基因Ht2/Ht3的克隆,并證實Ht2/Ht3是細胞壁相關受體樣激酶基因ZmWAK-RLK1的等位基因,Htn1和Ht2/Ht3編碼的ZmWAK-RLK1蛋白的不同之處在于存在多個氨基酸多態性位點,這些多態性影響了細胞外結構域,進而否認了幾十年來Ht2、Ht3和Htn1被描述為具有不同小種譜和抗性反應的獨立抗性基因座的傳統認知[50];丁俊強團隊報道一個NLR類抗病基因RppC,并從南方銹病菌Pucciniapolysora中鑒定到與RppC互作的無毒蛋白AvrRppC,揭示了P.polysora通過AvrRppC突變來實現對RppC的逃逸[51];賴志兵團隊克隆出另一個廣譜抗南方銹病的基因RppK及其對應的無毒基因AvrRppK[52];楊琴團隊和北卡羅來納州立大學Peter Balint-Kurti團隊研究證明ChSK1是玉米小斑病的感病基因,該基因突變或敲除可顯著提高大田玉米對小斑病的抗性[53]。

在棉花黃萎病抗性機理研究方面,馬峙英團隊鑒定出數個棉花抗病和感病基因,其中感病基因GhNCS編碼S-去甲烏藥堿合成酶,在耐病品種‘NDM8’和感病品種‘CCRI8’中沉默該基因都導致抗病性顯著增強,使‘NDM8’由耐病變為抗病,使‘CCRI8’從感病變為耐病[54];該團隊還通過棉花自然變異群體的黃萎病抗性全基因組關聯分析(genome-wide association study,GWAS),發現13個未知的核心優異等位變異與黃萎病抗性顯著相關,關聯信號最高峰值在Dt11區段(68 798 494 bp-69 212 808 bp)穩定出現,該Dt11區段聚集著21個抗病功能基因,其中包括一個之前未描述的L型凝集素結構域受體激酶(GhLecRKs-V.9)基因簇,研究結果表明該Dt11區段對控制黃萎病抗性有重要作用[55];此外還發現位于At10染色體上的關聯基因GhnsLTPs通過改變苯丙烷途徑中木質素和類黃酮代謝流的變化調控棉花對枯萎病、黃萎病的抗性,并且GhnsLTPs通過在棉花根與葉中特異性表達影響廣譜抗性功能[56];張獻龍團隊報道了棉花通過調節茉莉酸(jasmonic acid,JA)積累調控對黃萎病的抗性機制,該研究從陸地棉中鑒定出激酶GhCPK33,GhCPK33定位于過氧化物酶體中,并通過磷酸化GhOPR3(12-oxophytodienoate reductase 3)降低其穩定性,從而限制JA生物合成;感染黃萎病菌后,棉花GhCPK33的表達水平顯著上調,推測黃萎病菌可能通過GhCPK33抑制JA積累和JA信號傳導從而促進感染[57]。目前對于植物質外體免疫系統的組分及其在識別、防御病原微生物侵染過程中的生理功能研究相對較少。夏桂先團隊從棉花和大麗輪枝菌互作體系中分離鑒定了來源于棉花質外體的富半胱氨酸蛋白CRR1、幾丁質酶Chi28以及來源于大麗輪枝菌的絲氨酸蛋白酶VdSSEP1,當大麗輪枝菌入侵時,棉花外泌Chi28和CRR1到根質外體中,其中Chi28能夠降解病原菌細胞壁的幾丁質,而大麗輪枝菌則分泌絲氨酸蛋白酶VdSSEP1來水解棉花Chi28,從而阻止其對幾丁質的降解,為了反擊病原菌的對抗,棉花外泌的CRR1在質外體中與Chi28相互作用,穩定Chi28使其免受VdSSEP1降解,從而增強棉花的免疫防御[58]。

在棉花枯萎病抗性機理方面,朱龍付團隊鑒定到了一個陸地棉抗枯萎病主效基因Fov7,并首次發現谷氨酸類受體(glutamate receptor-like,GLR)可作為非典型主效抗病基因調控植物免疫反應,在高抗枯萎病的棉花品種中抑制GhGLR4.8的表達或通過基因編輯突變GhGLR4.8都使得棉花品種變得極為感病;同時,根據GhGLR4.8在抗病和感病品種中等位基因的SNP變異開發了基于PCR擴增的分子標記,并建立了可區別GhGLR4.8抗病基因型和感病基因型的檢測體系,可實現棉花抗枯萎病種質資源的快速篩選與鑒定[59]。

其他重要農作物抗病機制研究方面,馬青團隊解析了小G蛋白ShROP1、ShROP11和微絲骨架(actin cytoskeleton)聚合因子ShARPC3、ShARPC5的功能,首次證實Ⅰ型ROP蛋白ROP1和Ⅱ型ROP蛋白ROP11均能參與植物對病原菌的免疫響應;并且證明番茄中微絲骨架聚合因子ShARPC3和ShARPC5通過誘導植物產生HR和ROS響應生物脅迫[60];師愷團隊研究證明,PSK作為一種損傷相關的分子模式,主要由PSKR1感知,PSKR1能夠增加胞質Ca2+濃度并激活生長素介導的相關途徑,從而增強番茄對灰葡萄孢Botrytiscinera的免疫力[61]。

1.1.3主要農作物真菌病害監測預警及綠色防控關鍵核心技術研發與應用

十三五以來,在國家重點研發計劃“兩減”和“糧豐”專項的大力資助下,我國主要農作物真菌病害監測預警及綠色防控關鍵技術研發取得了突破性進展。在稻瘟病綠色防控理論與技術創新方面,彭友良團隊通過對稻瘟菌群體優勢無毒基因的研究,建立了基于稻瘟菌群體優勢無毒基因布局抗瘟基因的關鍵技術;創新性地提出了水稻抗瘟品種培育和篩選的抗譜閾值理論;合作培育了抗瘟水稻新品種12個,鑒定出抗瘟品種50余個;創建了以抗瘟品種布局為核心,依據品種抗菌株譜精準施藥的稻瘟病綠色防控技術體系。在稻曲病綠色防控技術研發與應用方面,劉永鋒團隊建立了稻曲病精準診斷和監測技術,創制了3個綠色防控新藥劑,集成構建“前茬菌核消減,孕穗前期預警,破口前分區防控”的稻曲病綠色防控技術體系,防效達80%以上,減藥達47%,該成果榮獲2022年度江蘇省科學技術獎一等獎。

在小麥條銹病監測預警技術開發方面,康振生院士團隊采用大數據、人工智能、傳感器等技術開發了“小麥條銹病智能化監測預警技術”,實現了小麥條銹病的自動化、智能化監測與預警,檢測準確率達90%以上,該技術入選農業農村部2023年10項重大引領性技術。在小麥抗病基因挖掘與抗病育種方面,孔令讓團隊首次發現并克隆抗赤霉病主效基因Fhb7,將攜帶Fhb7基因的抗赤霉病種質材料‘A075-4’與‘濟麥22’雜交并回交,選育出綜合抗性突出的小麥新品種‘山農48’,該成果榮獲2023年度山東省自然科學獎一等獎;王源超團隊和王秀娥團隊合作,通過轉基因技術將大豆疫霉Phytophthorasojae致病因子XEG1的受體蛋白基因RXEG1分別導入3個赤霉病易感小麥品種‘濟麥22’ ‘矮抗58’和‘綿陽8545’,顯著提高了小麥對赤霉病的抗性[62],上述研究為豐富小麥抗病資源庫和進一步選育和利用抗病品種防控小麥真菌病害提供了重要的原材料。

在玉米病害綠色防控技術研發與利用方面,趙久然團隊培育出多抗玉米新品種‘京科968’,對玉米莖腐病、大斑病、絲黑穗病、瘤黑粉病等主要春播區玉米病害具有較高抗性;蔡保松團隊利用木霉菌群誘導,顯著提高了玉米對多種真菌病害的抗性,并提出了相關增產增效技術;開發出防治玉米莖腐病和葉斑病等病害的9種木霉生防制劑,10種低毒化學種衣劑,構建了適應機械化種植的玉米病害綠色防控技術體系。

在棉花病害綠色防控技術研發與利用方面,中國農業科學院棉花研究所、新疆農墾科學院、河北農業大學、中國農業科學院生物技術所等培育了抗枯萎病和黃萎病的棉花新品種‘中棉所301’‘新陸早33’‘冀棉25’和‘中棉所45’等,為以種植抗病品種為核心的黃萎病綜合防控技術提供保障;馬平團隊利用西蘭花殘體還田策略有效控制了黃萎病的發生[63];在生物防治產品方面,登記了多個防治棉花黃萎病的微生物殺菌劑(1 000億孢子/g枯草芽孢桿菌可濕性粉劑),采用包衣、滴灌等方式在棉花主產區推廣應用。

真菌病毒在植物真菌病害的生物防治研究方面,姜道宏團隊報道了真菌病毒SsHADV-1(Sclerotiniasclerotiorumhypovirulence-associated DNA virus 1)將核盤菌S.sclerotiorum轉變為可以和油菜互利共生的內生真菌,通過多年多地的田間防效試驗,發現該病毒可以顯著降低油菜菌核病的發生,提高產量[64]。基因編輯技術在油菜抗病材料選育方面,姜道宏團隊利用CRISPR/Cas9技術對油菜中核盤菌效應蛋白的靶標基因BnQCR8進行編輯,獲得了對菌核病和灰霉病抗性均顯著增強的油菜植株;同時,編輯BnQCR8基因對油菜的生物學性狀及種子含油量等沒有顯著影響,顯示出其在抗病分子育種中具有潛在重要應用價值[65]。

1.2 農作物卵菌病害

1.2.1農作物病原卵菌的致病性

病原卵菌與寄主植物互作過程中通常會激活效應子,進而改變寄主植物的生理及免疫反應。王源超團隊鑒定和解析了多個大豆疫霉P.sojae效應子的作用機制,發現效應子Avh110通過與大豆類異染色質蛋白GmLHP1-2和同源結構域指狀蛋白GmPHD6結合,破壞GmLHP1-2介導的核轉錄復合物組裝及其轉錄活性,促進病原菌侵染[66];解析了效應子PsAvh240的晶體結構,發現其通過抑制植物天冬氨酸蛋白酶的外泌破壞植物質外體的免疫[67];解析了無毒效應子Avr1d與參與免疫反應的新蛋白GmPUB13的U-box功能域的復合晶體結構,表明病原菌通過分泌效應蛋白與GmPUB13互作來干擾植物免疫反應[68];發現了大豆疫霉通過N-糖基化修飾保護核心效應子免受寄主天冬氨酸蛋白酶攻擊,提出植物和病原菌共同進化的新模式——“多層免疫模式”[69]。馬文勃團隊和麻錦彪團隊合作,在5種疫霉菌中共鑒定了293個具有LWY重復結構的效應子,且發現不同的LWY模塊可進行重排組裝,塑造了效應子像“瑞士軍刀”一樣的多面功能[70]。喬永利團隊發現疫霉效應蛋白PSR1通過與宿主可變剪接因子PINP1特異性結合,抑制sRNA的生成,導致寄主對疫霉敏感性增加[71]。竇道龍團隊發現擬南芥中一組未知功能的蛋白可與植物免疫調控因子ACD11互作,命名為BPA1(ACD11的結合配體)和BPLs(類BPA1蛋白),進一步研究發現BPA1/BPLs通過穩定植物細胞中的ACD11來影響其介導的活性氧爆發與細胞死亡等過程,而辣椒疫霉P.capsici效應子RxLR207干擾BPA1/BPLs的正常功能,促進病原菌活體階段到死體階段的轉變,引起植物發病[72]。

此外,多組學的迅速發展也加速了卵菌效應子的鑒定、功能驗證及互作機制的研究。董莎萌團隊首次解析了卵菌基因組DNA甲基化修飾的形成機制,并繪制了全基因組DNA的甲基化圖譜,為進一步揭示卵菌致病性、抗藥性等重要性狀的變異機制提供理論基礎[73]。交叉學科的發展也將進一步促進卵菌與寄主植物互作的機理探究。荷蘭瓦赫寧根大學Joris Sprakel團隊利用表面變形成像、分子斷裂傳感器技術結合數學建模,揭示了卵菌入侵寄主的生物力學機制——“Naifu”入侵,Naifu入侵模式使疫霉不需要專門的侵染結構或產生巨大的膨壓就可以入侵寄主[74]。

1.2.2主要農作物對卵菌病害的抗性

植物通過識別病原卵菌的效應蛋白激發一系列的防衛反應,對特定病原菌表現出抗病性。王源超團隊鑒定到大豆疫霉核心致病因子XEG1的受體蛋白RXEG1,發現RXEG1通過質外體中的LRR結構域與XEG1結合,并與類受體激酶BAK1和SOBIR1形成復合體,激活植物廣譜抗性[75]。王源超團隊與柴繼杰團隊合作研究發現,XEG1與RXEG1的結合引起了RXEG1島區及C末端的構象發生明顯變化,從而誘導共受體BAK1和SOBIR1結合;破壞RXEG1免疫識別受體功能后,其依然能夠發揮對XEG1水解酶的抑制作用,揭示了細胞膜受體蛋白具有“免疫識別受體”和“抑制子”的雙重功能[76]。張淑珍團隊發現大豆受到大豆疫霉侵染時,GmMKK4-GmMPK6-GmERF113級聯被激活,通過持續磷酸化激活大豆對大豆疫霉的應答,從而提高大豆對大豆疫霉的抗性[77]。董莎萌團隊發現馬鈴薯抗病基因Rpi-vnt1.1對晚疫病的抗性具有光依賴性,Rpi-vnt1.1的激活需要核編碼的葉綠體蛋白甘油酸鹽激酶GLYK,光照誘導可變啟動子調控GLYK產生兩種轉錄本,從而影響植物抗病性[78]。單衛星團隊發現植物免疫負調控因子RTP7通過影響線粒體電子傳遞鏈復合體Ⅰ亞基nad7轉錄本的內含子剪接,調控線粒體復合體Ⅰ的活性并影響線粒體活性氧(mitochondrial reactive oxygen species,mROS)的產生,mROS介導的免疫調控對包括疫霉在內的多種病原菌表現出廣譜抗病性[79]。

1.2.3主要農作物卵菌病害監測預警及綠色防控關鍵核心技術研發與應用

近年來,我國在植物病原卵菌的監測預警和綠色防控技術研究上取得了系列突破性進展。在納米農藥研發方面,沈杰團隊、竇道龍團隊以及尹梅貞團隊合作研發了納米級星狀聚合陽離子農藥遞送系統用于馬鈴薯晚疫病的防治。該遞送系統能夠大幅度減小農藥粒徑至納米級,并增強植物細胞介導的胞吞作用相關基因的表達,提升藥劑的吸收與擴散,田間藥效試驗證實該遞送系統顯著提升了生物農藥殼聚糖和丁子香酚對馬鈴薯晚疫病的防效[80]。利用作物多樣性控制病害是實現綠色防控的有效途徑之一。在植物病原卵菌生態調控技術研究方面,詹家綏團隊與隋啟軍團隊合作,發現增加馬鈴薯品種多樣性,可稀釋病原菌親和生理小種菌源量,并可利用抗性植株阻礙、抗性誘導和微環境改變等生態效應降低馬鈴薯對晚疫病菌的選擇壓力,進而降低晚疫病菌的進化速度和致病力,從而顯著降低品種多樣性高田塊的晚疫病發病程度[81]。

在主要蔬菜卵菌病害檢測預警和綠色防控技術研發方面,張修國團隊研發了主要蔬菜卵菌病害檢測預警技術體系,集成創建了以品種抗災和檢測預警為核心技術,以高效栽培防病、生態控害、生物防治和精準用藥減災為關鍵技術的綜合治理技術體系,累計推廣應用96.5萬hm2次,平均防效達80%以上,顯著降低了我國主要蔬菜卵菌病害發生面積與危害程度,累計新增利潤78.02億元,該成果榮獲2018年度國家科學技術進步獎二等獎。

1.3 農作物細菌病害

1.3.1農作物病原細菌的致病性

1.3.1.1植物病原細菌致病性的調控機制

在農作物病原細菌Ⅲ 型分泌系統(type Ⅲ secretion system, T3SS)等致病性相關調控機制方面,前期研究表明,轉錄因子HrpR和HrpS形成異源六聚體,激活σ因子HrpL的表達,HrpL通過與啟動子中“hrp盒”結合來誘導T3SS通路上的所有基因;而鄧新團隊發現薩氏假單胞菌菜豆致病變種Pseudomonassavastanoipv.phaseolicola(Psph)中調控T3SS的關鍵轉錄因子HrpS可作為一個獨立的全局轉錄因子直接調控下游T3SS和非T3SS基因的轉錄,不依賴于σ因子HrpL[82];鄧新團隊聯合嚴健團隊利用指數富集的配體系統進化(systematic evolution of ligands by exponential enrichment,SELEX)技術分析了Psph中100個轉錄因子的DNA結合序列特異性,并構建了全基因組水平的轉錄因子調控網絡,由此發現多個新的T3SS調控蛋白[83];黃麗麗團隊發現丁香假單胞菌獼猴桃致病變種P.syringaepv.actinidiae(Psa)中類OmpR轉錄因子可結合hrpR/S啟動子區域,負調控其轉錄,參與Psa的多個生物過程[84];趙志博團隊發現PsaT3SS中hrpR基因上游的保守位點參與hrpR/S的轉錄調控,并通過“HrpRS-HrpL-T3SS/效應因子”級聯調控系統調節T3SS的功能[85];該團隊還發現hrpL基因啟動子的單堿基G166的自然變異,破壞了σ54啟動子的結合,導致hrpL表達降低,部分解釋了田間出現了Psa的弱毒菌株的原因[86];陳華民團隊發現水稻白葉枯病菌X.oryzaepv.oryzae(Xoo)中兩個σ54因子(RpoN1和RpoN2)均參與了對Xoo致病性的調控,RpoN2通過與轉錄激活因子PilRX結合調控XooⅣ型鞭毛的合成、運動性和致病性[87],通過與FleQ結合調控Xoo的致病性、運動性以及鞭毛素的糖基化修飾[88],而RpoN1不僅間接地調控RpoN2的轉錄且特異性地參與了細菌生長的調控,揭示了細菌σ54因子調控的新機制[89];范曉靜團隊發現青枯雷爾氏菌Ralstoniasolanacearum(Rs)中轉錄因子CrgA可結合鞭毛基因的啟動子,影響細胞運動與鞭毛形成和致病性[90];劉鳳權團隊發現水稻白葉枯病菌中存在一種TrpR樣蛋白PXO_TrpR,負調控Trp合成基因的表達,影響Xoo的致病能力與氧化應激能力[91];該團隊同時發現假定蛋白PXO_03177能調控Xoo的致病性,且受核苷酸受體蛋白Clp的直接調控[92]。黃麗麗團隊發現Psa中的T6SS與T3SS間存在復雜關系,T6SS通過調控細菌競爭、生物被膜形成和環境適應性影響致病性[93];鄧新團隊揭示了Psph、Xoo和Rs在營養限制條件下T3SS調控因子、效應蛋白和結構蛋白的翻譯延伸機制[94];謝華團隊發現芹菜軟腐病菌Pectobacteriumcarotovorumsubsp.odoriferum(Pco)中一種新型的T6SS以及特異的調控山梨糖醇代謝的srl操縱子[95];范加勤團隊發現胡蘿卜果膠桿菌胡蘿卜亞種P.carotovorumsubsp.carotovorumPccS1引起浸漬狀是由于其致病相關基因抑制植物體內胼胝質沉積,以及PccS1產生的果膠溶酶將寄主植物細胞裂解,并非細菌的T3SS引起植物細胞死亡[96]。

在雙組分系統(two component systems, TCSs)動態調節植物病原細菌的致病能力及環境適應性機制方面,鄧新團隊闡明了Psph中TCS調控蛋白RhpR可作為一個“分子開關”,在不同營養環境下直接調控代謝途徑和磷酸化水平依賴的毒力調控通路[97];RphR可接受多個組氨酸激酶(PSPPH_5115, PSPPH_3736, 和 PSPPH_3550)的磷酸化信號[98];該團隊進一步發現了Psph中的5個新的T3SS關鍵調節因子(EnvZ-OmpR, CbrAB2, PhoPQ, PilRS和MgrA),其中EnvZ-OmpR和CbrAB2是T3SS的關鍵抑制子,并闡明了新調節因子在不同環境適應機制下的動態調控模式[99];同時,融合多組學數據技術從全雙組分系統組的水平發現了7個新的TCSs參與T3SS、運動性和胞外多糖產量的調控,全面闡釋了丁香假單胞菌的環境適應性與致病性之間的復雜網絡調控關系[100];周曉輝團隊發現了胡蘿卜果膠桿菌P.carotovorumPC1多個參與致病性的毒力因子基因、耐藥基因、病原基因、分泌系統、TCSs和細胞壁降解酶同源基因[101];錢韋團隊注釋了歐美楊細菌潰瘍病菌Lonsdaleaquercinasubsp.populi的TCSs,其中雙組分系統KdpD-KdpE參與細菌毒力的調控[102];該團隊還發現野油菜黃單胞菌野油菜致病變種X.campestrispv.campestris(Xcc)中組氨酸激酶VgrS的蛋白水解抑制其自磷酸化并促進Xcc的滲透脅迫抗性[103],同時MarR家族轉錄因子HpaR能夠正調vgrR-vgrS操縱子的轉錄水平[104];孫文獻團隊發現水稻細菌條斑病菌X.oryzaepv.oryzicola(Xoc)中次級信使環二鳥苷酸(c-di-GMP)的結合蛋白FimX與雙組分系統PdeK-PdeR形成復合物促進Xoc中的Ⅳ型菌毛(pilus)的組裝和其致病力[105];何晨陽團隊發現Xoo中存在一種新的轉錄因子TriP,可與雙組分系統中的磷酸二酯酶PdeR特異性互作,進而調節Xoo的致病力[106]。

在多種酶類、環二鳥苷酸(c-di-GMP)和群體感應(quorum sensing,QS)系統參與植物病原細菌致病性的調控機制方面,鄧音樂團隊發現青枯雷爾氏菌(Rs)中的脯氨酸氧化酶PutA可作為調節因子,調控病原菌的毒力與生物學功能[107];榮成博團隊發現北京歐文氏菌Erwiniabeijingensis(Eb)中糖基轉移酶基因影響Eb多糖分泌、生物膜的形成能力、黏附能力及致病力[108];鄧新團隊發現Lon蛋白酶也可行使轉錄因子的功能,進而調控Psph的T3SS基因表達[109];同時,c-di-GMP也參與Psph的鞭毛組裝、胞外多糖、鐵載體以及超氧化物歧化酶合成[110];賈燕濤團隊發現Xcc中脯氨酸亞胺肽酶(PIP)通過調控細胞內c-di-GMP水平調控鞭毛運動、T3SS和HR反應[111];錢韋團隊證明c-di-GMP特異性結合Xcc的組氨酸激酶(HK)RavS,促進RavS與其調節蛋白RavR之間的特異性[112];何晨陽團隊發現Xoo中的EAL結構域蛋白EdpX1通過c-di-GMP信號通路調節細菌的多種毒力表型[113];鄧音樂團隊發現并解析了鄰氨基苯甲酸(anthranilic acid)調控R.solanacearum(Rs)中多種QS信號分子的調控途徑和致病性的分子機制,并發現鄰氨基苯甲酸通過特異性結合受體蛋白RaaR,進而增強其與靶基因啟動子DNA區域的結合能力[114-115];張煉輝團隊發現,Rs中QSS在調節細菌運動、生物膜形成、纖維素酶形成等方面起到關鍵作用[116]。

1.3.1.2植物病原細菌與寄主植物的多種互作模式

研究發現多種寄主植物產生的植物激素或次生代謝產物能夠調控病原細菌的適應性和致病性。周儉民團隊發現擬南芥次生代謝物蘿卜硫素(sulforaphane,SFN)直接靶向細菌T3SS的關鍵轉錄因子HrpS,進而抑制丁香假單胞菌的毒力[117];劉鳳權團隊發現Xcc中一種新型感應轉錄因子SstF能夠識別寄主產生的SFN,并直接調控SFN耐受關鍵基因saxF的轉錄表達來提高病菌對SFN的耐受性和病菌的毒力[118];進一步研究發現,SFN也可以通過直接靶向調節蛋白OxyR抑制Xcc的氧化應激適應和毒力[119];劉鳳權團隊還發現褪黑素對Xoo的生長有顯著抑制作用[120];鄧音樂團隊發現Xcc利用寄主植物的糖代謝產物,促進自身QS依賴的擴散性信號因子(diffusible signal factor,DSF)產生,增強其致病性[121];何亞文團隊發現Xcc侵染寄主植物時,酚酸誘導病原菌中hca基因簇表達,降解阿魏酸(ferulic acid,FA)、芥子酸(sinapic acid,SiA)等酚酸類化合物可解除廣譜抑菌活性與抗氧化活性[122];陳功友團隊發現Xoo通過突變TALE類無毒蛋白中間重復區序列,逃避抗病基因識別與結合,導致寄主植物的抗性喪失[123];楊秀芬團隊聯合張易團隊發現丁香假單胞菌番茄致病變種P.syringaepv.tomato(Pst)依賴于JA信號傳導途徑誘導鋅指轉錄因子ZAT18的表達,抑制水楊酸(salicylic acid,SA)途徑關鍵基因eds1轉錄,減少SA積累,最終抑制寄主植物的防御反應[124];鄧音樂團隊發現寄主植物中L-谷氨酸是R.solanacearum(Rs)胞外多糖、纖維素酶活性、運動性和生物膜形成的關鍵活性成分,促進Rs的定殖,加速病害發生[125]。

1.3.1.3植物細菌效應蛋白與植物多種途徑互作的新機制

基于細菌效應蛋白的鑒定與功能研究是病原與寄主互作免疫基礎理論的重要“抓手”。辛秀芳團隊和加拿大布魯克大學團隊分別報道了Pst效應蛋白AvrE和HopM1通過植物脫落酸(ABA)途徑調控氣孔關閉,創造利于細菌生長的微環境[126-127];張杰團隊發現Xoo中效應蛋白XopK具有E3泛素連接酶活性,將水稻中重要免疫受體激酶直接泛素化修飾并介導其降解,抑制植物免疫反應[128];劉俊團隊發現Pst效應蛋白與植物鐵傳感器蛋白相互作用并以其為靶點,促進寄主植物中鐵吸收和病原體增殖[129];Alberto Macho團隊報道,Rs效應蛋白RipAK可以抑制寄主植物丙酮酸脫羧酶(PDC)寡聚化和酶活,促進病菌侵染和繁殖[130];李博團隊闡明了Rs中T3SS效應蛋白RipAB可靶向寄主植物的免疫調節中心轉錄因子TGA,破壞SA信號通路,以實現成功侵染[131];該團隊還發現Rs的效應蛋白PehC能激活番茄根系免疫反應,同時水解寡半乳糖醛酸(OG)產生半乳糖醛酸(GalA),為Rs提供碳源,促進其在木質部定殖和生長[132];丁新華團隊聯合儲昭輝團隊從高毒力的Xoc中分離得到了在中國模式菌株RS105中未發現的4個類轉錄激活效應蛋白(TAL),可負調節SA相關防御,使水稻對Xoc和Xoo的易感性增強[133]。

細胞壁是植物病原細菌侵染的一大屏障,王遠宏團隊發現Pst效應蛋白HrpH裂解細胞壁、結合肽聚糖,協助T3SS穿透細菌細胞壁[134];趙志博團隊與黃麗麗團隊合作發現Psa的效應蛋白HopAZ1與獼猴桃Actinidiachinensis抗病相關蛋白Cp1、PR5互作,激發一定程度的抗病反應[135]。許多植物病原菌通過氣孔進入寄主植物體內,陳功友團隊聯合美國南卡羅來納大學傅正擎團隊發現黃單胞菌的T3SS效應子XopAP在局部定殖類病原菌中保守存在,如葉肉中定殖的病原菌,可干擾液泡酸化,阻止氣孔關閉以利于病原菌侵染[136];董漢松團隊聯合宋從鳳團隊發現Xoo和Xoc的TAL效應蛋白通過水稻核輸入載體向水稻細胞核轉運,進而引發水稻白葉枯病和水稻條斑病[137]。

1.3.2主要農作物對細菌病害的抗病性

在關鍵抗病基因的作用模式研究方面,王源超團隊發現類受體激酶NbBIR2可以正向調控煙草Nicotianatabacum的微生物抗性和flg22誘導的免疫反應,類受體激酶NbBAK1競爭性地與E3連接酶NbSNIPER2a或NbSNIPER2b結合,避免NbBIR2被泛素化及降解,以傳遞病原體相關分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)觸發的免疫信號[138];何祖華團隊發現MKP-MAPK-MYB信號在木質素生物合成和維管對Xoo的抵抗中的作用在水稻中是保守的[139];周儉民團隊發現Gα蛋白家族成員基因OsXLG1是水稻抵抗Xoo感染所必需的,為未來水稻抗性改良提供了啟示[140];朱炎團隊發現CHR19是一個新的調節因子,在染色質水平上影響植物對不同病原體的抗性基因的轉錄[141];劉文德團隊研究發現核糖核酸酶P蛋白亞基OsRpp30在水稻先天免疫中的作用[142];周雪平團隊在本氏煙草和水稻中鑒定出一種與微管蛋白相關的 C4HC3型E3連接酶(MEL),其能夠整合和啟動一系列宿主免疫信號傳導,賦予植物對病毒、病原真菌和細菌的廣譜抗性[143];董漢松團隊發現,小麥水通道蛋白可以賦予其對小麥病原菌的先天免疫力;水稻水通道蛋白OsPIP2;2將病原體誘導的質外體H2O2轉運到細胞質中,可以加強水稻對各種病原體的抵抗力,OsPIP2;2還觸發膜錨定轉錄因子OsmaMYB轉位到植物細胞核中,以傳遞flg22誘導的防御反應,對抗病原體感染[144-145];姚銀安團隊研究發現SlWRKY8在番茄中的過表達增強了番茄對Pst的抗性[146]。

近期研究揭示了一系列植物氣孔免疫相關的作用新機制。致病微生物可以利用氣孔作為入侵通道,植物在識別這種侵染后會關閉氣孔以應對病原菌的入侵。侯書國團隊發現多肽SCREWs和同源受體激酶NUT可以反向調節植物激素脫落酸和微生物相關分子模式引起的氣孔關閉,SCREW-NUT信號促進了葉綠體失水,破壞微生物的水生棲息環境,從而限制病原體的定殖[147]。

在模式觸發免疫(PTI)調控新機制方面,PTI為植物抵抗病原菌入侵的第一道防線,質膜上的模式識別受體(pattern recognition receptors,PRRs)識別病原體/微生物相關分子模式(PAMPs/MAMPs)或宿主衍生的損傷相關分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs),啟動積極的防御反應。于峰團隊發現低磷應答轉錄因子PHR1直接與快速堿化因子(RALF)基因的啟動子結合,并在磷酸鹽饑餓條件下激活其表達,RALFs反過來通過類受體激酶FERONIA抑制PAMP觸發的免疫受體復合體的形成[148];李博團隊研究發現類受體激酶NIK1負調控植物的抗細菌免疫,當植物識別到細菌的flg22后,NIK1和免疫受體復合體FLS2/BAK1之間的相互作用增強,該發現揭示了一種類受體激酶調控PTI的新機制[149]。胞質受體類激酶BIK1是與多個重要PRRs蛋白相關的免疫調節因子,但目前對PRRs-BIK1-BAK1-MAMPs超級復合體的動態調控機制并不清楚。周儉民團隊發現E3連接酶PUB25/PUB26能介導非激活狀態BIK1的降解,鈣依賴蛋白激酶CPK28通過增強上述過程而負調控植物免疫反應[150];SHOU4和SHOU4L在各種模式誘導下迅速磷酸化,是植物抵抗細菌和真菌侵染的基礎,最新研究表明蛋白激酶BIK1與SHOU4/SHOU4L互作使SHOU4L磷酸化并抑制SHOU4L與纖維素合成酶CESA1的互作,磷酸死亡(phospho-dead)和模擬磷酸化(phospho-mimic)的SHOU4L突變體都不能彌補SHOU4L可逆性磷酸化功能喪失突變體對病原菌的抗性和發育缺陷,表明SHOU4L的可逆性磷酸化對植物免疫和發育都至關重要[151]。研究表明,BIK1可以通過磷酸化植物特異性Gα蛋白XLG2積極地調節免疫。周儉民團隊研究表明,這種磷酸化促進XLG2的核轉位,這對抗菌免疫是必不可少的,除此之外,XLG2與核定位的MUT9樣激酶(MLKs)相互作用,以激酶活性依賴的方式負向調控植物免疫力,而XLG2可能通過抑制MLK激酶活性來促進防御基因的表達和抗菌免疫力[152];呂東平團隊發現泛素連接酶ATL31/ATL6通過介導CPK28的降解促進BIK1的穩定性[153];何平團隊發現擬南芥受體激酶MIK2可以識別來自十字花科Brassicaceae植物富含絲氨酸的內源性肽(SCOOPs)和叢毛單胞菌科Comamonadaceae細菌中存在的蛋白質的保守基序,并引發各種免疫反應,SCOOPs以依賴MIK2的方式觸發免疫反應和改變根系發育[154];張躍林團隊發現TIR信號的激活在PTI中起著關鍵作用[155];柴繼杰團隊發現TIR蛋白形成不同的多蛋白結構來分解NAD+或RNA/DNA,并發現TIR結構域觸發了所謂的非經典2′,3′-cAMP/cGMP的產生,在植物細胞內維持一定濃度以應對侵染時引起的細胞死亡[156]。植物免疫反應中TNL抗病基因編碼產物作為NAD+水解酶產生的信號分子及其調節的下游抗病信號通路并不清楚。柴繼杰團隊聯合常俊標團隊發現TNL-EDS1-PAD4-ADR1免疫通路中的pRib-ADP/AMP和TNL-EDS1-SAG101-NRG1免疫通路中的ADPr-ATP或diADPR作為抗病信號小分子調控了植物免疫反應[157-158]。

在效應子觸發免疫(ETI)相關的免疫調控機制方面,一些病原體可以通過向植物細胞分泌效應蛋白來抑制PTI,為了對抗病原體效應蛋白的活力,植物進化出第二個免疫受體亞家族:細胞內NLRs,特異性識別效應蛋白,誘導植物的ETI。王官鋒團隊發現膜重塑復合體ESCRT的重要組分ZmVPS23和ZmVPS23L通過與自激活NLR蛋白Rp1-D21互作,改變Rp1-D21在玉米和煙草中的細胞定位,抑制了由Rp1-D21介導的HR,揭示了ESCRT成分在控制植物NLR介導的防御反應中的作用[159]。新近一系列復合體晶體結構的解析闡明了植物抗病小體的形態和作用機理。柴繼杰團隊、王宏偉團隊和周儉民團隊聯合研究發現,ZAR1-RKS1-PBL2UMP形成一個風輪狀的五倍體(ZAR1抗病小體),首次證實了植物抗病小體的存在,并揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機制[160-161]。ZAR1抗病小體是一個陽離子選擇性、鈣滲透性的離子通道,通道活性是在細胞死亡前觸發ROS所必需的[162]。這些結果共同支持了由ZAR1通道引發的鈣離子信號啟動免疫激活的結論,為進一步揭示植物免疫的分子機制作出了重要貢獻。此外,柴繼杰團隊和陳宇航團隊合作研究發現小麥CNL類抗病蛋白Sr35與效應蛋白AvrSr35直接形成五聚化抗病小體“Sr35抗病小體”,這種抗病小體在植物細胞膜上充當通道,啟動了強大的免疫反應,最終導致感染部位的植物細胞自殺以保護植物的其他部分[163]。MAPKs是PTI和ETI的關鍵信號調節因子,王一鳴團隊發現MPK3/MPK6對flg22介導的ETI抑制是必需的[164]。已知CDC123是ETI相關翻譯和防御的一個關鍵激活因子,胥國勇團隊與董欣年團隊共同發現eIF2γ可與CDC123互作,是ETI的正向調節因子[165]。

PTI和ETI是植物防御體系的兩道屏障,其關聯性一直不清楚。何祖華團隊研究發現脫泛素酶PICI1是水稻中PTI和ETI的免疫樞紐[166]。辛秀芳團隊證明ETI能夠顯著上調NADPH氧化酶RBOHD的mRNA及蛋白水平,但該蛋白的磷酸化修飾和完全激活依賴于PTI信號,ETI和PTI通過精密的分工合作來實現對RBOHD的調控和活性氧的大量產生以保障植物被病原菌侵染時快速準確地作出免疫響應;此外, ETI還會強烈上調PTI通路的重要信號組分(如BAK1、BIK1和RBOHD等)的轉錄和蛋白水平,使得PTI信號通路整體上調,從而誘導起更持久的免疫輸出[167]。

1.3.3主要農作物細菌病害監測預警及綠色防控關鍵核心技術研發與應用

1.3.3.1植物細菌病害監測預警技術

在環介導等溫擴增(loop-mediated isothermal amplification,LAMP)及其相關技術在植物細菌病害監測方面的應用中,李華偉團隊利用LAMP開發了一種針對甘薯薯瘟致病菌R.solanacearum的特異性檢測方法[168];劉吉平團隊以R.solanacearum果膠裂解酶基因為靶標,首次融合了新型核酸擴增技術等溫多自配引發擴增(isothermal multiple self-matching-initiated amplification,IMSA)的引物設計策略和LAMP擴增反應的技術體系成功建立了一種快速高效的青枯雷爾氏菌IMSA-LAMP檢測技術[169];李寶聚團隊基于LAMP技術利用由胡蘿卜果膠桿菌P.carotovorum的pmrA保守序列設計的引物組,開發了一種芹菜軟腐病菌快速檢測方法[170];楊立桃團隊開發了一種前間隔序列鄰近基序(protospacer adjacent motifs,PAMs)環介導等溫擴增結合CRISPR/FnCas12a(Cas-PfLAMP)快速檢測水稻病原細菌的方法,若將Cas-PfLAMP分析與固相核酸提取和便攜式橫向流動試紙條(lateral flow dipstick,LFD)相結合,可建立一個可視化的現場檢測系統,從而形成了一個用于高效檢測水稻病原體的系統[171]。

在細菌病害的分子檢測與人工智能識別相關研究方面,宋震團隊建立了柑橘潰瘍病菌Xanthomonascampestrispv.citri重組酶聚合酶擴增(recombinase polymerase amplification,RPA)檢測方法,對柑橘潰瘍病的檢驗檢疫和繁殖無病苗木具有現實意義[172];黃麗韶研發了柑橘潰瘍病圖像識別智能檢測系統,實現了計算機自動識別病害[173];古紹彬團隊將三維熒光光譜與二階校正算法結合實現了對丁香假單胞菌黃瓜致病變種P.syringaepv.lachrymansPSL-8的快速定性定量分析[174];楊廣福團隊以硝基還原酶類(NTR)作為生物標志物開發了一種小分子熒光傳感器,實現了對感染細菌的甘藍型油菜的實時診斷[175]。

1.3.3.2綠色防控關鍵核心技術研發與應用

在水稻細菌病害的綠色防控技術研發方面,陳功友團隊從水稻稻樁上分離的摩氏假單胞菌P.mosselii923菌株能夠產生一種新型的小分子化合物咪唑三嗪(pseudoiodinine),對水稻白葉枯病和條斑病均有較好防效,有望發展為綠色農藥。同時,該研究還發現咪唑三嗪對多種植物病原黃單胞菌均具有抑制作用,其中包括柑橘潰瘍病菌X.citrisubsp.citri、大豆斑疹病菌X.axonopodispv.glycines、棉花角斑病菌X.campestrispv.malvacearum、麥類黃單胞菌X.translucenspv.cerealis、辣椒斑點病菌X.campestrispv.vesicatoria等。其對白葉枯病菌和條斑病菌的抑菌活性最強,溫室和田間防控試驗顯示,923菌株和咪唑三嗪在病害預防和治療方面,均能對白葉枯病和條斑病進行有效防控,防病效果達70%以上[176]。此外,陳功友團隊根據稻黃單胞菌tal基因型與水稻抗、感病基因型的對應關系,總結整理了我國水稻白葉枯病和條斑病的防控應遵循的3種防控模式[177]。

土壤細菌產生的揮發性有機化合物(volatile organic compounds,VOCs)由于其強大的抗菌活性,已被證明具有植物病原菌的生物防治潛力。沈其榮團隊發現青枯雷爾氏菌在生防細菌解淀粉芽胞桿菌BacillusamyloliquefaciensT-5產生的VOCs高強度脅迫下,通過適應性突變增強了青枯雷爾氏菌對VOCs和多種抗生素的適應性,同時減弱了病原菌的致病力,從適應性進化的角度解析了根際有益菌VOCs調控病原菌生存-致病權衡機制,為有益菌VOCs的開發與利用提供了理論依據[178]。該團隊通過宏基因組學研究發現噬菌體群落在健康和患病番茄根際的組成和多樣性上均有顯著差異,健康植株根際存在更高豐度的青枯雷爾氏菌專性噬菌體(即初級噬菌體primary phages),而病原菌拮抗細菌專性噬菌體(即次級噬菌體secondary phages)在患病番茄根際更為豐富,噬菌體通過抑制病原菌及病原菌拮抗細菌來調控土壤青枯雷爾氏菌的消減,為利用噬菌體消減土壤青枯雷爾氏菌提供了新的理論基礎[179]。

此外,丁偉團隊對植物次生代謝物香豆素類化合物在青枯雷爾氏菌與植物互作中的功能進行了系列研究。首先,明確了瑞香素(daphnetin,DA)靶向青枯雷爾氏菌脂多糖合成酶LpxB,進而對青枯雷爾氏菌表現出優異的抑菌效果,具有開發成一種青枯病新型控制劑的潛力[180];進一步研究發現瑞香素通過抑制胞外多糖合成途徑,降低青枯雷爾氏菌的致病力[181];同時發現了6-甲基香豆素通過抑制青枯雷爾氏菌FtsZ蛋白表達,造成細菌二分裂過程受阻,抑制青枯雷爾氏菌生長[182];該團隊將生物聚合物羧甲基殼聚糖(carboxymethyl chitosan,CMCS)偶聯瑞香素成功制備了綠色環保的植物免疫誘抗劑,可以更好地提高煙草抵御青枯病的能力,試驗表明,接種后第8 天的盆栽防效達74%以上[183]。阮麗芳團隊發現在抗青枯病番茄親本及其抗病后代的根際微生物組十分相似且在功能上具有一致性,在抗病親本及其抗病后代的根際土壤中富集了兩種根際細菌,分別是鞘氨醇單胞菌Sphingomonassp. Cra20和惡臭假單胞菌P.putidaKT2440,Cra20和KT2440能夠為易感青枯病的番茄品種提供多方面的保護,包括減少青枯雷爾氏菌毒力相關基因的表達以及重塑感病番茄品種的轉錄組[184]。

丁香假單胞菌P.syringae是一類革蘭氏陰性植物病原菌,能感染多種農作物(例如:獼猴桃、玉米、煙草、番茄和豆科作物等),其導致的病害分布廣泛,被普遍認為是世界上最主要的植物細菌病原體之一,給世界農業經濟造成了巨大的損失。鄧新團隊在研究丁香假單胞菌和植物間的互作中發現了“植物多酚-RhpRS-T3SS”信號途徑,揭示了多酚化合物抑制T3SS,進而降低致病性的分子機制,闡明了多酚類物質對于幫助植物抵御丁香假單胞菌侵襲的重要性,有望開發成丁香假單胞菌抑制劑[98]。黃麗麗團隊提出“兩前兩后”的獼猴桃潰瘍病綠色防控關鍵技術,即“開花前開花后”噴霧防治花腐病、葉斑病,“采果后至落葉前”藥液噴淋主干、大枝防控潰瘍病[185]。

柑橘黃龍病是全球柑橘生產的頭號殺手,被稱為柑橘“癌癥”,尚無藥可治。該病是由韌皮部桿菌侵染引起的細菌病害,其中韌皮部桿菌亞洲種CandidatusLiberibacter asiaticus致病力強,分布廣,也是我國黃龍病發生和傳播的主要病原。金海翎團隊從耐黃龍病品種澳大利亞指橙Microcitrusaustraliasica中發現了一種熱穩定性很強的抗菌肽MaSAMP,它不僅可以有效降低黃龍病陽性柑橘樹的病原菌滴度并抑制植株癥狀,還能夠誘導柑橘樹的系統免疫反應,保護健康的柑橘樹免受感染;在葉面噴施后,MaSAMP在柑橘植株內至少可穩定存在7 d,能通過維管系統到達病原菌定殖的韌皮部,并富集于病原細菌的外膜,導致胞液泄漏和細胞裂解;在構成MaSAMP二級結構的2個α螺旋中(alpha-helix1和alpha-helix2),alpha-helix2提供主要的抑菌活性[186]。

在植物病原細菌生物防控方面,研究者揭示了多種有益拮抗微生物的生防新機制,創建了生防菌高效篩選體系。劉鳳權團隊聯合錢國良團隊揭示了第二信使環鳥苷二磷酸c-di-GMP參與調控產酶溶桿菌LysobacterenzymogenesOH11熱穩定抗菌因子HSAF合成的分子機制[187-188]。病原細菌的Ⅳ型分泌系統(T4SS)最近才被證明是一種接觸依賴性(contact-dependent)的細菌間殺傷系統,錢國良團隊發現產酶溶桿菌利用T4SS作為主要接觸依賴性武器對抗其他土傳細菌,T4SS介導的產酶溶桿菌的殺傷行為降低了2種假單胞菌Pseudomonasspp.抗細菌和抗真菌活性的同時,也降低了胡蘿卜果膠桿菌P.carotovorumPccS1的活性以保護胡蘿卜免受PccS1的侵染[189]。該團隊近期又發現T4SS效應蛋白LqqE1(Lysobacterquorum-quenching effector 1)在青枯雷爾氏菌中的表達會阻斷群體感應效應分子AHL的合成,顯著降低病原細菌的致病性,展示了LqqE1在植病生防上的應用潛力[190]。此外,錢國良團隊還發現接觸依賴的T4SS殺傷系統是限制不同植物根際促生菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)群兼容性的關鍵,敲除T4SS的根際促生菌突變株變得更兼容且表現出抗細菌和抗真菌活性[191]。錢國良團隊聯合鐘彩虹團隊創建了基于植物病原菌富集原理的生防靶向分離技術體系,分離到可有效抑制潰瘍病菌的沙福芽胞桿菌B.safensis,基于該菌株開發了低毒高效的“中科生防藥劑”,在湖北及陜西多地的田間試驗中防效良好[192]。

1.4 農作物病毒病害

1.4.1主要農作物病原病毒的致病性

病毒在感染寄主并增殖的過程中,沉默抑制子通過抑制寄主的抗病毒RNAi免疫通路發揮重要作用。周雪平團隊和Rosa Lozano-Duran團隊合作鑒定出多個雙生病毒基因組編碼的具備特殊亞細胞定位的小蛋白,并且首次發現了一個新型的定位在高爾基體中的RNA沉默抑制子能夠強烈地抑制寄主的抗病毒RNAi[193];劉玉樂團隊發現損傷誘導的鈣信號通路能夠起始和穩定寄主的抗病毒RNAi途徑,而病毒編碼的沉默抑制子可以通過與鈣調蛋白結合的轉錄激活子互作干擾鈣信號通路進而抑制抗病毒RNAi[194]。

激素對于植物的生長發育十分重要,植物病毒編碼的蛋白往往通過劫持或者增強某種激素信號來加強致病性。陶小榮團隊發現植物NLR受體Tsw與多種植物激素受體具有相似的功能結構域,番茄斑萎病毒(tomato spotted wilt virus,TSWV)編碼的NSs通過與轉錄抑制子TCP21互作加強TCP21與NLR和多種激素受體之間的相互作用,從而抑制激素介導的抗病毒免疫,達到增強病毒致病力的作用[195];Rosa Lozano-Duran團隊報道了植物病毒編碼的一種能夠從感病寄主的質膜轉移到葉綠體中的蛋白,該蛋白通過抑制葉綠體中SA信號通路來增強病毒的致病性[196];陳劍平團隊發現多種不同類型的植物RNA病毒均編碼一類轉錄抑制子,該抑制子通過與JA信號轉導途徑的重要蛋白組分互作抑制JA信號通路從而促進病毒侵染[197];他們還發現水稻條紋病毒(rice stripe virus,RSV)的P2蛋白和其他單子葉植物病毒蛋白通過促進SA受體NPR1的降解來阻斷SA-JA信號通路的協作抗病性而達到增強致病力的目的[198];此外,該團隊揭示了不同病毒編碼的蛋白能夠靶向赤霉素 (gibberellins,GAs) 信號通路中的DELLA蛋白,促進DELLA的降解而增強病毒的致病性[199];該團隊前期還報道了水稻病毒通過不同策略共同靶向生長素應答因子OsARF17增強致病性的分子機制[200]。

病毒在細胞內的增殖需要寄主提供合適的胞內環境和原材料,病毒編碼的蛋白常常會利用寄主植物的關鍵基因創造利于增殖的胞內微環境。李大偉團隊發現,大麥條紋花葉病毒(barley stripe mosaic virus,BSMV)γb蛋白通過干擾葉綠體抗氧化防御反應來促進病毒復制[201],γb蛋白的棕櫚酰化在病毒的運動和復制之間起著開關的作用[202];王獻兵團隊發現植物病毒蛋白通過劫持寄主植物中負責RNA衰減的蛋白因子CCR4增強自身基因組的復制能力[203];張永亮團隊揭示植物網狀樣蛋白作用于病毒復制膜結構的形成而促進病毒復制[204]。

核酸和蛋白的修飾在基因表達調控方面起著重要的作用,如RNA的m6A修飾、DNA的甲基化修飾、蛋白的磷酸化和泛素化等修飾都會影響基因表達和蛋白功能。周雪平團隊與戚益軍團隊合作發現,雙生病毒利用植物DNA主動去甲基化機制來逃逸植物防御反應[205];郭惠珊團隊發現,雙生病毒通過泛素化降解DNA甲基轉移酶激活病毒基因的早期轉錄[206];陳劍平團隊聯合陳鋒團隊發現了一個m6A甲基轉移酶TaMTB可以調控小麥黃花葉病毒(wheat yellow mosaic virus,WYMV)RNA1上的m6A甲基化水平以提高病毒基因組的穩定性,從而促進病毒侵染[207]。

在植物病毒致病性的其他研究方面,劉玉樂團隊發現第一個可以激活自噬的植物病毒蛋白βC1,并揭示了其激活細胞自噬的機制[208];該團隊和李大偉團隊合作揭示了病毒蛋白通過干擾寄主植物液泡酸堿度來促進病毒侵染的分子機制[209];王道文團隊和美國馬里蘭大學趙玉琪團隊合作報道了大麥黃矮病毒(barley yellow dwarf virus,BYDV)編碼的關鍵致病因子17K通過抑制寄主細胞周期進程造成寄主植物矮化的分子機制[210];王獻兵團隊發現黃瓜花葉病毒(cucumber mosaic virus,CMV)誘導寄主編碼的小肽通過促進自噬相關蛋白對RNAi組分SGS3/RDR6蛋白小體的降解增強病毒的致病性[211]。我國科學家在該領域取得的重要的研究進展加深了我們對植物病毒致病分子機制的理解,為我國防治植物病害發生,保障植物生物安全提供了理論基礎。

1.4.2主要農作物對病毒病的抗病性

植物對病毒的抗病機理解析和挖掘寄主植物中的抗病基因一直是植物病毒與寄主互作研究的熱點和難點。李毅團隊闡明植物激素JA信號通路與RNA沉默信號通路協同調控水稻抗病毒免疫機制[212];陳劍平團隊發現JA與油菜素甾醇信號途徑互作激活了水稻抗病毒防衛反應[213];周雪平團隊發現了SUMO修飾的Pelota蛋白干擾了其與Hbs1互作,抑制了病毒RNA的降解,而Pelota-Hbs1蛋白復合體能夠阻礙病毒的感染[214];此外,他們還報道了一種保守的免疫調控模塊,并解析了其介導作物廣譜抗病毒的分子機制[215];趙忠團隊研究發現干細胞關鍵調節基因WUS通過抑制病毒蛋白質合成,限制病毒復制和傳播,在植物廣譜病毒抗性和分生組織間建立了分子聯系[216];王獻兵團隊發現了選擇性自噬受體VISP1通過靶向病毒沉默抑制子增強植物抗病毒能力[217];王道文團隊與沈前華團隊合作解析了植物蛋白激酶通過磷酸化大麥黃矮病毒的沉默抑制子來增強寄主抗病毒能力的分子機制[218];陶小榮團隊揭示了感染番茄斑萎病毒后,寄主的NLR抗病基因Sw-5b通過CC結構域干擾MED10b和MED7的互作,進而解除MED10b-MED7-JAZ蛋白對JA信號通路的抑制活性,增強寄主抗病毒能力[219]。

在抗病毒基因挖掘方面,吳建國團隊和李毅團隊、錢前團隊以及美國加州大學丁守偉團隊合作對528份水稻種質進行了連續6年田間抗病毒鑒定,明確了7個與水稻抗病毒高度相關的數量性狀核苷酸(quantitative trait nucleotides,QTNs)位點[220];周彤團隊聯合劉斌團隊對來自59個國家500多份水稻種質進行抗病鑒定,通過全基因組關聯分析克隆了水稻黑條矮縮病毒(rice black-streaked dwarf virus,RBSDV)的抗性基因天冬氨酸蛋白酶基因OsAP47[221];劉志勇團隊和張永亮團隊合作首次在單子葉植物中克隆出一個抗大麥條紋花葉病毒的典型的CC-NB-LRR類型的抗病基因BSR1[222]。抗病基因的挖掘利用和功能研究為有效增強植物抗病毒能力提供了基因資源和理論指導。

1.4.3介體昆蟲傳播病毒的機制

大多數植物病毒的傳播需要借助于介體昆蟲,對于病毒利用介體昆蟲傳播機制的解析有利于制定有效的防治策略來阻斷病毒病害的暴發流行。近年來,我國科學家在介體傳毒方面取得了重要進展,崔峰團隊發現importin α2可有效介導水稻條紋病毒進入介體灰飛虱Laodelphaxstriatellus的唾液腺,進而利于病毒傳播[223];王錫鋒團隊發現糖轉運蛋白6是該病毒成功侵入介體灰飛虱中腸的關鍵因子,沉默糖轉運蛋白6的表達可抑制病毒進入中腸細胞[224];魏太云團隊首次發現介體昆蟲可通過精子攜帶水稻病毒并垂直傳播給后代[225];王曉偉團隊首次報道了一種雙生病毒能夠在介體煙粉虱Bemisiatabaci的唾液腺內復制[226]。

在病毒操控介體昆蟲自噬信號途徑的研究方面,吳建祥和周雪平團隊合作發現水稻黑條矮縮病毒在侵染早期通過激活介體灰飛虱自噬通路抑制病毒的侵染和復制,并解析了激活自噬的機制[227];徐秋芳團隊則發現了該病毒通過上調3,5-二磷酸肌醇抑制自噬體和溶酶體的融合而逃避自噬降解[228];王錫鋒團隊闡明了南方水稻黑條矮縮病毒(southern rice black-streaked dwarf virus,SRBSDV)利用介體自噬體膜進行增殖以及阻斷自噬體和溶酶體融合的機制[229];魏太云團隊發現水稻瘤矮病毒(rice gall dwarf virus,RGDV)對介體自噬體進行修飾而避免與溶酶體融合的機制[230];該團隊還先后發現了兩種水稻呼腸孤病毒都可激活介體昆蟲內線粒體自噬并防止線粒體依賴性細胞凋亡[231-232];戈峰團隊和孫玉誠團隊合作發現雙生病毒激活自噬與凋亡后,通過二者相互拮抗形成中度免疫平衡,提高煙粉虱對病毒的免疫耐受[233]。

在病毒操控介體昆蟲取食行為的研究方面,葉健團隊揭示雙生病毒通過影響植物與介體及非介體昆蟲互作而改變昆蟲群落結構組成[234];王獻兵團隊研究發現大麥黃條點花葉病毒(barley yellow striate mosaic virus,BYSMV)操縱植物JA通路吸引介體昆蟲并促進傳毒[235];周國輝團隊揭示南方水稻黑條矮縮病毒通過調節水稻乙烯信號以協調病毒感染和介體傳播[236]。對于介體昆蟲傳毒機制的研究能夠有效地指導我們制定合理的切斷病毒傳播流行的防治策略,從而有效控制病毒病的暴發和流行。

1.4.4主要農作物病毒病監測預警及綠色防控關鍵核心技術研發與應用

在植物病毒生物技術應用方面,李正和團隊利用一種植物負鏈RNA彈狀病毒載體向植物體內遞送CRISPR/Cas9核酸內切酶實現植物高效基因編輯,隨后又研發了基于廣譜寄主范圍的番茄斑萎病毒的瞬時遞送系統[237-238];王彥鵬團隊和張永亮團隊合作開發了高效的RNA病毒載體遞送系統,成功地在麥類作物上繞過組培實現了基因組編輯[239]。這些研究為作物DNA-free基因組編輯提供了新思路,也為病毒載體的生物技術利用開拓了新方向。

在植物病毒檢測的產品開發和應用方面,周雪平團隊制備了50多種植物病毒單克隆抗體,并研發了病毒快速檢測試劑盒,目前已廣泛應用于病毒病的早期診斷,對介體昆蟲帶毒檢測靈敏度達到1∶1 600。依據帶毒率和數量構建病害中長期預測模型,可有效預測病毒病發生動態,實現病害早期預警和實時預報。

在植物病毒綠色防控技術開發應用方面,陳劍平團隊圍繞我國小麥土傳病毒病,建立了精準診斷和監測技術,集成基于“病害早期精確監測、抗性品種精準布局、輔以微生物藥劑拌種、適當晚播、春季施用微生物藥劑和分級防控”的土傳病毒病害綠色防控技術體系,累計推廣應用770余萬hm2。

1.5 植物線蟲病害

1.5.1主要農作物病原線蟲的致病性

1.5.1.1新入侵線蟲的種類和擴散成災機制

近年來,在我國新疆和云貴川地區首次發現了重大檢疫性有害生物——甜菜孢囊線蟲Heteroderaschachtii和馬鈴薯金線蟲Globoderarostochiensis入侵,并對我國禾谷孢囊線蟲Heteroderaavenae的起源和種群擴散機制進行了解析。在外來入侵線蟲新種類鑒定方面,彭德良團隊在新疆維吾爾自治區新源縣首次發現了重大檢疫線蟲甜菜孢囊線蟲危害[240];在云南、貴州和四川3省7縣市首次發現了重大檢疫性有害生物馬鈴薯金線蟲[241];針對兩種外來入侵線蟲,研發出PCR、RPA-CRISPR等一系列早期快速診斷技術,明確了其在我國的發生分布和生物學特征[242-243]。彭德良團隊與李紅梅團隊聯合解析了我國禾谷孢囊線蟲的起源、傳播途徑及種群特征,發現我國的禾谷孢囊線蟲群體可能起源于西北地區的高山草地,明確了禾谷孢囊線蟲種群之間的遺傳距離與地理位置成明顯的正相關,推測黃河屢次泛濫及農機具跨區作業是孢囊線蟲遠距離傳播的重要途徑,揭示了我國小麥孢囊線蟲的快速擴散機制[244-245]。

1.5.1.2植物線蟲致病分子機制

植物線蟲口針分泌的效應蛋白,在線蟲侵染、取食位點建立和維持以及對抗寄主防衛反應的過程中發揮著關鍵作用。在植物線蟲效應蛋白致病機制方面,彭德良團隊鑒定出了一個甜菜孢囊線蟲效應蛋白HsSNARE1,該蛋白同時與擬南芥AtSNAP2和AtPR1互作促進線蟲的侵染,其中HsSNARE1第141、143及148位的氨基酸殘基是與AtPR1互作的關鍵位點,對上述3個關鍵氨基酸殘基對應的核苷酸序列進行替換構建HsSNARE1的突變體HsSNARE1-M1,異源表達該突變體的擬南芥對甜菜孢囊線蟲的敏感性顯著降低[246];陳建松與康奈爾大學Wang Xiaohong 團隊合作從大豆孢囊線蟲H.glycines中發現一個含有自噬相關蛋白ATG8結合基序AIM(ATG8-interacting motif,AIM)的效應蛋白NMAS1,其通過靶向寄主自噬核心蛋白ATG8來抑制植物的先天免疫促進線蟲寄生[247];彭德良團隊和于峰團隊聯合研究發現,植物根結線蟲編碼的一類與植物RALF(rapid alkalinization factor,RALF)類似的多肽(RALF-like),“挾持”植物受體激酶FERONIA,促進JA信號關鍵因子MYC2降解等過程,從而破壞植物免疫系統,促進其寄生[248];卓侃團隊首次發現象耳豆根結線蟲MeloidogyneenterolobiiMeTCTP效應蛋白可形成同源二聚體,并以二聚體形式直接靶向植物細胞內游離的鈣離子,干擾植物防衛信號從而促進根結線蟲的寄生[249];該團隊還首次發現了擬禾本科根結線蟲M.graminicola效應子MgMO289與寄主銅金屬伴侶OsHPP04結合,促進銅離子的轉運,該結合體利用水稻超氧陰離子降解系統清除活性氧,從而抑制植物免疫反應,促進侵染[250];謝丙炎團隊發現南方根結線蟲M.incognita分泌的凝集素類效應蛋白MiCTL1a通過抑制寄主過氧化氫酶的活性調控細胞內活性氧穩態,從而幫助線蟲寄生[251];簡恒團隊揭示了南方根結線蟲通過分泌效應蛋白MiPDI1調控寄主番茄SAP12介導的氧化還原信號傳導和防御反應,從而幫助線蟲寄生[252]。

1.5.2主要農作物對線蟲病害的抗病性

植物對線蟲的抗性機制解析及植物的抗線蟲基因挖掘一直是植物寄生線蟲與寄主互作的研究熱點與難點。近幾年,我國科學家在植物抗線蟲機制解析方面取得了重要進展,并克隆到了多個植物抗線蟲基因。于懋群團隊研究發現,易變山羊草Triticumperegrinumvar.variabile苯丙氨酸代謝和色氨酸代謝途徑中關鍵酶基因AevPAL1和AevTDC1能相互協調改變SA的含量和下游次生代謝物,對禾谷孢囊線蟲抗性起正調控作用[253];李洪杰團隊從小麥品種‘Madsen’7DL和2AS染色體上分別發現Cre9和Cre5兩個抗性基因位點,明確了攜帶Cre9的小麥家系抗菲利普孢囊線蟲H.filipjevi,但不抗禾谷孢囊線蟲;攜帶Cre5的小麥家系抗禾谷孢囊線蟲,但不抗菲利普孢囊線蟲[254];郭曉黎團隊對大豆孢囊線蟲抗性主效位點 Rhg1上α-SNAP的互作蛋白進行分離鑒定,發現α-SNAP通過與NSF連接蛋白受體GmSYP31A以及電壓依賴型陰離子通道蛋白GmVDAC1D互作,影響蛋白分泌和線粒體介導的細胞死亡,進而調控寄主對大豆孢囊線蟲的抗性[255];謝丙炎團隊鑒定出抗性刺角瓜Cucumismetuliferus‘CM3’根系特有揮發性物質,明確了甲氧基甲基苯對南方根結線蟲有明顯的驅避作用,而隨著甲酚和順-2-戊烯-1-醇濃度的提高,殺線蟲能力增強[256];王紹輝團隊發現番茄轉錄因子SlWRKY45能結合茉莉素合成基因SlAOC并抑制其表達,進而調控茉莉素合成途徑,提高番茄對南方根結線蟲的抗性[257];郭曉黎團隊借助BSA、圖位克隆以及基因編輯等手段從抗性水稻中成功克隆出抗擬禾本科根結線蟲M.graminicola基因MG1,該基因位于第11號染色體長臂末端的復雜R基因簇中,編碼CC-NB-LRR蛋白,將該基因導入敏感品種可以顯著增強線蟲抗性,LRR結構域及潛在的棕櫚酰化修飾位點在激活線蟲抗性中起著關鍵作用,此外,水稻蛋白酶抑制劑MGBP1與MG1直接互作,增強MG1蛋白的穩定性,促進抗性[258];謝丙炎團隊采用納米孔和Hi-C測序構建了野生番茄‘LA2157’的染色體級基因組,基于抗根結線蟲Mi-9的分子標記和比較基因組分析,篩選出7個候選的NBS-LRR基因;通過病毒誘導的基因沉默和異源表達分析,首次明確了Sarc_034200 為熱穩定的番茄抗根結線蟲位點Mi-9的主效基因[259]。上述抗病基因的克隆及抗線蟲位點的定位將為抗線蟲品種培育提供優良的基因資源。

1.5.3主要農作物線蟲病害監測預警及綠色防控關鍵核心技術研發與應用

為了最大程度減輕植物線蟲造成的危害和損失,實施監測預警及研發綠色防控關鍵核心技術必不可少。目前,我國在抗孢囊線蟲種質資源培育、生物防治、納米殺線蟲劑開發和外來入侵線蟲應急防控技術方面取得較大突破。

在抗性種質資源培育方面,彭德良團隊應用寄主誘導基因沉默(host-induced gene silencing,HIGS)技術,研發出靶向大豆孢囊線蟲幾丁質合成酶基因(SCN-CHS)的轉基因大豆遺傳材料新種質,該種質材料高抗大豆孢囊線蟲多個生理小種,并表現出持久抗性[260];該團隊還與黑龍江省農業科學院大豆研究所合作選育了一個高抗大豆孢囊線蟲、高產、高油的大豆新品種‘黑農531’(黑審豆20210004)[261]。

在生物防治方面,肖炎農團隊從淡紫紫孢菌Purpureocilliumlilacinum中鑒定到一個具有殺線蟲活性和抵抗逆境的關鍵蛋白PlCYP5,并研制出了淡紫紫孢菌的顆粒制劑[262];孫明團隊在蘇云金芽胞桿菌B.thuringiensisCry6A蛋白對線蟲毒理學新機制領域取得重要進展,解析了一種具有線蟲毒殺作用的ClyA-type的Bt穿孔蛋白Cry6Aa的結構,并且發現RBT-1是Cry6A的重要腸道靶標功能受體[263];徐秉良團隊從長枝木霉TrichodermalongibrachiatumT6菌株中克隆出內切幾丁質酶基因T6-Echi18-5,明確了其在調控長枝木霉T6菌株降解禾谷孢囊線蟲的卵殼和抑制線蟲孵化過程中發揮著關鍵作用[264]。

在殺線劑創制方面,彭德良團隊與沈杰團隊合作,構建了納米級陽離子星狀聚合物(SPc)與化學殺線蟲劑氟吡菌酰胺的穩定復合體,粒徑大幅度減小至納米級,納米復合體通過增強線蟲ROS迸發,抑制ATP合成和琥珀酸脫氫酶SDH活性,從而加速線蟲死亡,田間防效表明SPc-氟吡菌酰胺復合體對象耳豆根結線蟲的防效提升31%～35%,農藥使用量下降了50%[265]。

在甜菜孢囊線蟲綜合治理方面,中國農業科學院植物保護研究所聯合新疆農業科學院等多家單位,建立了甜菜品種抗孢囊線蟲鑒定技術規程,篩選出‘beta796’等5個抗病品種,噻唑膦等高效應急防控藥劑3種,研發了非寄主輪作等農業防控技術,研制出了集抗病品種-化學防控-輪作為一體的綜合防控技術,在甜菜孢囊線蟲發生區域大面積推廣應用,防效達80%以上,發病面積縮減了90%。

2 研究展望

2.1 發展水平

過去5年,我國植物病理學學科取得了顯著的科研成績,集中體現在發表高水平論文的數量逐步提高,多家單位的研究成果在Nature、Science、Cell 頂尖綜合期刊上發表。與國外發達國家同行相比,我國多數植物病害的研究水平與世界同步,部分研究領域如卵菌致病機制、稻瘟病抗性機理、小麥條銹病致病機理、病毒病害、棉花黃萎病致害機制等研究領先于世界水平,但原創性成果方面還存在差距。

在植物真菌病害方面,水稻和小麥真菌病害研究取得了顯著成績,研究成果達到世界一流水平,部分領先國際同行,如水稻抗性基因挖掘與鑒定、免疫機制研究,小麥抗赤霉病基因定位與克隆(Fhb1和Fhb7)等;小麥銹病致害機制研究也進入了快速發展階段,在小麥條銹菌流行學、致病機制及其與寄主互作方面優勢明顯。玉米病害研究水平相對薄弱,多數關于為害機制的重要成果為國外報道,與國際前沿存在一定差距。黃萎病致病機制和群體基因組學研究領域的研究水平已與國際并跑或部分領先。

植物卵菌病害研究方面優勢明顯,如南京農業大學為代表的國內科研單位在卵菌效應子鑒定及與寄主互作機制研究已形成了科研創新“高地”,過去5年先后在Science、Nature、Nature Communications、PNAS等權威期刊發表了系列高水平研究論文,處于國際領先水平。如大豆疫霉核心致病因子XEG1的受體蛋白RXEG1的蛋白構象解析工作,并發掘出了RXEG1廣譜抗性的育種價值,形成了植物與微生物互作領域的經典范例,對改良植物的廣譜抗病性具有重要意義。

在植物細菌病害研究方面,突出的優勢仍然體現在以中國科學院遺傳與發育生物學研究所為代表的假單胞菌相關研究,多數研究水平處于國際領先水平;黃單胞菌相關研究的優勢單位在該領域取得了不錯的成績,相關研究基本達到國際一流水平;然而在瓜類細菌性果斑病、青枯病等的致病分子機理、毒力和代謝全局調控網絡等研究領域尚存差距。

在植物病毒病害研究方面,包括基因功能解析、病毒致病性、病害癥狀形成及病毒運動機制、介體昆蟲傳播機制和病害防控等領域均取得了顯著進展,在國際上處于領先水平;在病毒粒體結構與裝配機制、病毒群體遺傳多樣性與進化等研究方面做到了與世界同步。在植物病毒致害機制方面取得了長足進步,尤其是在病毒、介體、寄主植物和病害流行環境等多因素互作方面已有高水平論文產出,部分研究成果已達到世界領先水平。

在植物線蟲病害研究方面,植物線蟲致病分子機制和遺傳多樣性等研究方面發展迅速,在根結線蟲和孢囊線蟲效應蛋白功能解析和致病機制等方面研究水平達到國際先進水平,生防產品研制和防控機制方面也取得突破性的進展,基本與世界水平相當。在產品研發方面,淡紫紫孢菌等生防菌劑獲得產品登記,但高效的商品化制劑方面仍需進一步研發,在植物抗線蟲基因定位、挖掘和利用方面也取得較大進展,與國際前沿差距進一步縮小。

2.2 發展趨勢與對策建議

過去5年,我國植物病理學科快速發展并取得了系列原創性重大突破性理論與技術,為我國植物病理學科發展和植物保護工作奠定了堅實基礎。然而,隨著種植業結構調整、氣候與生態環境變化以及國際貿易日趨便捷和頻繁,農作物病害發生與危害規律發生了根本性演替,原生性有害生物頻繁暴發,災害持續不斷,經濟損失巨大。危險性外來有害生物入侵所造成的生物災害問題不斷凸現。部分次要病害因種植結構調整、氣候變化等因素,已逐漸發展成為毀滅性災害。因此,面臨種植業結構調整、氣候與生態環境變化等因素挑戰,作物病原群體變異更加頻繁、作物喪失抗性的周期縮短,對病害防治和作物豐產穩產提出更大的挑戰。

在植物病理學基礎理論研究方面,我們在“植物-病原物-傳播媒介生物”多重互作機制、植物抗病信號識別與傳導、根系微生物組、表觀遺傳修飾與先天免疫調控、病原群體遺傳等方面逐步縮小了與國際一流水平的差距、甚至超過國際水平。然而,國際同行已在蛋白翻譯重編程調控免疫反應新機制等一些新興研究領域取得了更深入的研究進展。在監測預警與防控技術方面,針對“一因多效”抗病新基因資源發掘與利用、抗病新物質鑒定、新抗病生物技術開發與應用,以及包括監測預警技術、綠色植物保護產品創制,仍然是當前我國植物病理學科的短板和重大挑戰。

面對這些挑戰,植物病理學亟須跟蹤國際前沿熱點(如蛋白翻譯重編程調控免疫反應新機制等),更多注重從0到1的原始科技創新工作。一是在生命科學進入后基因組學時代的背景下,全面融入生物信息學、蛋白質組學、表觀遺傳學、宏基因組學、人工智能等新興學科和技術,突破系列病原與寄主互作重大基礎理論,如效應子操控寄主免疫反應機制、信號傳遞因子如何識別PRR 與R 基因互作信號及調控免疫調控機制,受體復合體的結構分析,表觀遺傳修飾參與蛋白翻譯重編程調控免疫反應新機制。二是依托我國作物種質資源優勢,仍需持續加強“一因多效”抗性基因標記定位與克隆,不斷創新開發和應用新生物技術(如基因編輯技術)在作物抗病育種、抗病新種質創制的利用并將先天免疫基礎理論與抗病育種實際相結合,以提高抗病品種培育效率。三是需要持續鑒定作物抗病或病原物致病性調控的關鍵因子,進行抗性遺傳改良或新產品創制,如植物感病基因、廣譜植物受體蛋白用于抗病基因工程,免疫激發子用于開發蛋白農藥,病原關鍵致病基因用于開發RNAi農藥等,為作物病害綠色防控提供關鍵技術和產品。四是仍需加強抗病品種的選育,持續開展病原物群體毒性結構變異和主栽品種、重要抗源材料抗性變化及時監測,構建流行病害監測網絡和病害流行分子監測體系,開展抗病品種選擇布局與利用研究。