揪出“内鬼”基因 根治“水稻流感”

来源：科技日报

5月中旬，科技日报记者走进扬州大学海南试验基地，看到金黄色的稻穗粒粒饱满。科研人员拿着放大镜穿梭在稻田中，观察水稻叶鞘上的病斑变化。

这些水稻是经过基因编辑，并注入“纳米疫苗”的实验组。实验结果显示，水稻纹枯病病情指数下降了44%。

让人惊讶的是，在水稻分蘖期后，实现这一防控成效没有使用一滴化学农药，而是借助“基因编辑+诱导免疫+物理屏障”等技术手段，为水稻穿上了一层“金钟罩”。

中国工程院院士、扬州大学教授张洪程评价说：“这项研究开辟了作物抗病改良与生物农药结合研究的新范式，为农作物病害防治提供了新的绿色方案。”

纹枯病影响我国水稻高产

纹枯病是由一种强腐性真菌感染引起的水稻病害。该病菌通过土壤、水源和病株进行传播，一旦严重侵袭水稻，便会导致结实不良、粒重下降。因纹枯病具有传播范围广、感染性强等特征，一旦暴发就会造成稻田大规模减产，给农业生产带来巨大损失。据了解，我国每年因纹枯病导致的水稻减产超百万吨。纹枯病已成为影响我国水稻高产的主要病害之一。

张洪程介绍，传统的改良土壤环境、改善灌溉与施肥条件等农业防治手段，虽然能够实现纹枯病的被动防御，但整体效率低、效果差，且往往治标不治本。因此，当前我国控制纹枯病的主要手段仍是大量施用化学农药，每年针对纹枯病的化学防治规模远超其他病害。此外，由于纹枯病难以根治，一旦停药便会反复发作，因此它又被形象地称为“水稻重度流感”。

在科技飞速发展的今天，是否可以利用生物手段防治纹枯病？在水稻现有种质资源中，人们尚未发现针对纹枯病的主效应抗病基因，很难利用单个微效抗病基因培育高抗病品种。因此研究人员将目光转向了基因编辑技术。

水稻遗传育种专家、扬州大学教授左示敏说，通过挖掘并改造某些感病基因，有望使水稻抗病性增强，且不影响产量和品质。

“感病基因就像生命体内的‘内鬼’。”水稻抗纹枯病基因挖掘科创项目负责人王舟说，某些基因在病原菌侵染时，会干扰削弱自身水稻的防御系统，放任病菌长驱直入，增加了水稻个体对疾病的易感性。

如果能发现并定向消除这些“内鬼”，便有望实现水稻抗病性的提升。

三年来，团队利用表达谱芯片、转录组测序等方法，针对上万个水稻基因进行甄别分析，发掘出了一批潜在的“内鬼”基因，为根治“水稻重度流感”奠定了基础。

筛查不影响产量的感病基因

在扬州大学江苏省教育部植物功能基因组学作物遗传生理国家重点建设实验室内，基因定量分析仪屏幕上的一组组荧光标记格外醒目。每一个点位都代表着可能影响水稻抵抗纹枯病的特定基因。

“并非所有的‘内鬼’基因都有剔除价值。”左示敏介绍，能够影响水稻抗病性的基因很多，大部分基因在被剔除后，虽能在一定程度上提升抗病性，但通常也会影响水稻的产量、品质等重要性状。如果不加甄别地敲除这些基因，虽然水稻抗病性可能得到提升，但产量和品质却会随之下降。因此对“内鬼”基因进行筛选很重要。

“筛选‘内鬼’基因的过程有点像玩‘狼人杀’。”参与了筛选过程的水稻抗纹枯病基因挖掘项目成员陈逸涵说。在她看来，精准筛选出有剔除价值的“内鬼”基因是一项极为复杂的工程，团队要从各种真假信息中抽丝剥茧，找到关键破绽。

考虑到纹枯病菌主要侵染水稻的叶片和叶鞘，因此，团队有针对性地通过特定基因表达分析、组织特异性表达分析、亚细胞定位等系列试验，进一步缩小了揪“内鬼”的范围。

最终经过上千次实验，团队发现了OsERF7和PPS-b这两个基因可能是影响水稻抗病性，同时又不影响水稻产量和品质的“内鬼”基因。

“OsERF7会在病菌入侵时削弱抑制水稻自身防御系统的启动。”水稻抗纹枯病基因挖掘项目成员王奕文指着实时荧光定量PCR分析仪上的荧光信号解释，该基因编码的蛋白会抑制植保素合成通路以及抗氧化酶相关基因的表达，降低植物抗病能力以及抗氧化活性，让细胞防线形同虚设。

为了验证实验结论，团队通过基因编辑技术敲除了该“内鬼”基因。结果表明，经过“分子手术”改良后的突变体水稻植保素合成相关基因表达显著上升，抗氧化酶活性显著增强。在人工气候室的模拟试验中，改良植株叶片病斑面积缩小了32%，病情指数降低21.4%。

经过一系列交叉试验，团队进一步验证了该基因导致水稻更易感染纹枯病菌的机制，并通过基因编辑技术培育出自带抗病性特征的水稻新种质品种。

搭配纳米疫苗实现绿色防控

在基因编辑的基础上，团队进一步研发了纳米疫苗，给水稻防控纹枯病注入一剂“加强针”。

对单个基因进行编辑虽然畅通了植保素的合成通路，提升了水稻的抗病能力，但纹枯病的致病因素很多，仅依靠单基因编辑，水稻在实际生产中还难以完全抵御纹枯病的侵害。为此，团队进一步引入纳米疫苗，实现水稻纹枯病的绿色协同防控。

“纳米材料凭借其小尺寸和高比表面积，为优化农药制剂和递送模式开辟了新技术路径，推动农药向高效、智能、环保方向发展。”扬州大学农药制剂学专家梁友拿着手中的药剂瓶介绍，团队基于纳米技术与植物免疫调控机制的交叉融合，成功研发出一种名为MSN-SA的植物纳米疫苗。这种疫苗能够穿透植物表皮蜡质层屏障，激活相关信号通路，助力农作物病害防控从“被动治疗”迈向“主动预防”。

更为神奇的是，纳米颗粒分解的生物可利用硅会在植物表面沉积形成物理屏障。这相当于为水稻穿上了“金钟罩”，有效降低了病原菌的侵染效率。

“基因编辑‘改造体质’，纳米疫苗‘增强免疫’，两者结合实现了标本兼治。”左示敏说，“1+1大于2”的组合效果让水稻同时获得动态免疫响应和静态结构防御的能力，两者协同应用后的防控效果提升了44%。

目前，这种协同防控机制已经在海南开展了大田试验。结果显示，协同防控机制下，稻田纹枯病病情平均为4.07级，防控效果方面达到生产上公认的化学药剂“噻呋酰胺”68.5%的效果，在减少产量损失上已达到其89.7%的效果。这一结果基本已接近常规化学农药的防治效果，但化学农药使用量却减少了近70%。

科技日报记者 张晔 通讯员 张运 耿金鹏