给水稻打疫苗！上海科学家“拿捏”高产与抗病双目标，20年研究成果登上顶刊

据统计，我国每年被病虫害吃掉的粮食近1800万吨。被称为“水稻癌症”之一的白叶枯病就是其中一个重大威胁，喷洒农药成了无奈的生存选择。如今，中国科学家从漫长的进化史中找回了遗失的“免疫补丁”。

4月8日，《自然》（nature）杂志发表了中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员何祖华团队历时20年的成果：团队成功克隆出广谱抗病新基因xa48，为水稻“重装”免疫系统，在“保产量”与“强免疫”的平衡木上，找到了完美的落脚点。

捞针：

在三千份种质中唤醒“哨兵”

过去，白叶枯病在学术界和育种界并没有得到足够的警惕。“直到近15年来，随着它在华东、华南主产区危害日益加重，才重新成为重点防控对象。”何祖华介绍。

台风降雨导致白叶枯病暴发

面对来势汹汹的病菌，现有的抗病品种显得力不从心。长久以来，育种家们在田间地头面临着一个尴尬的处境：一个辛苦培育出的抗病新品种，往往在推广三到五年后，就会因为病原菌的快速变异而“被击穿”，抗性彻底失效。

破局的关键，在于找到一个能够长久抵御病菌变异的广谱抗病基因。何祖华团队与合作者们开启了一场跨越二十年的漫长跋涉。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心副研究员林辉对这段长跑记忆犹新。“我们利用能攻破国际上首个克隆的白叶枯病抗病基因xa21的毒性菌株作‘试金石’，大规模筛选了三千份资源。”她说。

经过反复的田间实验与实验室比对，科研团队终于在籼稻品种“双科早”中锁定了全新的白叶枯病抗病基因xa48。研究表明，相较于此前主要针对东南亚病原菌变种的xa21，xa48将防御网络覆盖到了东北亚变种。它编码了一个nlr类免疫受体蛋白，就像是一个敏锐的“哨兵”，能特异性识别病原菌分泌的毒性蛋白xopg。一旦发现敌情，这个“哨兵”就会迅速被激活，拉响整个细胞的抗病警报。与早期发现的基因相比，它将防线有效覆盖到了更广阔的东北亚病菌变种地带。

抉择：

保命与高产的“进化博弈”

既然这个抗病基因如此强大，为什么现代种植的很多水稻品种里却找不到它的踪影？它是如何在几千年的农业历史中“隐形”的？

要解开这一难题，要回到水稻被人类驯化的漫长历史中寻找线索。

团队对xa48基因开展了精细的生化与细胞生物学分析，结果显示：当xa48蛋白感知到病原菌的毒性蛋白xopg时，会快速降解体内的免疫抑制蛋白osvoz1/2，进而启动全面的免疫防御。但植物体内的能量总量是恒定的。高强度激活免疫系统，会大量消耗原本用于生长、灌浆结实的养分。

xa48介导的免疫信号通路及xa48-osvoz1免疫模块的驯化规律

团队由此揭示了一条残酷而现实的自然规律：水稻的产量与抗病性，天生存在此消彼长的矛盾。 进一步的遗传学分析证实，xa48-osvoz1这一免疫模块杀菌能力极强，却会显著降低粳稻的产量。

两种水稻的命运走向就此分野： 籼稻主要种植在湿热多雨、台风频发的长江以南地区，常年面临高发的白叶枯病威胁，为了生存，基因组中必须保留xa48这一抗病基因； 而粳稻多分布在水患较少、气候偏干冷的北方，病原菌压力小，在抗病上的需求并不迫切。

于是，在数千年人类追求高产的人工选择下，北方粳稻为了更高产量，逐步把拖累结实率的xa48基因从基因组中淘汰；南方籼稻则在病害与恶劣环境的持续压力下，始终保留着这套免疫机制。这种由地理环境与人工选育共同塑造的“差异化驯化”，也正是籼稻与粳稻在田间抗病性上差异巨大的根本原因。

叠加：

开创抗病育种新范式

探明了基因丢失的根源，科研的最终落脚点依然要回归田间，解决当下的粮食安全危机。如何既能拥有野生稻般强悍的广谱抗病能力，又能保持现代栽培稻的高产农艺性状？何祖华团队给出的答案是：叠加双重免疫网络。

植物抗病防御分为基础抗病与专化性抗病两层网络。依靠单一的专化性抗病基因极易被病菌变异瓦解。为此，研究团队巧妙地将提供基础免疫的xa21与提供精准打击的xa48聚合在一起，在水稻体内构建起双重防御网络。

奇迹在泥土中生根发芽。即使在海南南繁基地等地经历了台风、暴雨及洪水的极端考验，这种叠加了双重防线的新品系依然在不同稻区保持了极其稳定的广谱抗性。更令人振奋的是，这种抗性的重构并没有引发产量的倒退，兼顾了重要农艺性状的稳定。

农业科研必须从田间走到实验室，最终还要回到田间去经受真实泥土的检验。何祖华说：“我们首次在作物中证明，叠加不同层次的免疫网络，可以达到‘1+1 ＞2’的抗病效果。”

本成果汇聚了中国科学院、上海交通大学、浙江大学、华中农业大学、上海师范大学、中国农业科学研究院、浙江农业科学研究院等单位的研究团队，大科研、大合作的魅力在此刻展露无遗。

目前，该基因和技术已经被多个育种单位直接应用于抗病新品种的培育中。“预计几年后，新的抗病品种即可推广，农药也可以少喷。”何祖华告诉记者，“未来，我们希望把抗稻瘟病基因也聚合进来，让水稻既抗细菌又抗真菌。”

这枚微小的基因

正化作亿万亩良田里

最坚固的绿色长城

用实实在在的中国技术

将粮食安全的命脉

稳稳攥在自己手中

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作者：蓝悦

上观号作者：上海科技