被稱為“水稻癌癥”的稻瘟病是一種毀滅性真菌病害,每年給我國造成30億公斤糧食損失,嚴重制約著我國主糧作物的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn),威脅著我國糧食安全。
為了攻克稻瘟病,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護學(xué)院教授張正光帶領(lǐng)團隊與病菌博弈了近30年。2024年2月26日,張正光團隊和上海師范大學(xué)教授邢維滿團隊在《自然·植物》發(fā)表了最新研究成果。
他們發(fā)現(xiàn)了稻瘟病菌特有的保守的毒性效應(yīng)子MoErs1,并揭示其抑制寄主免疫的機制,基于該機制設(shè)計的二苯醚酯類化合物對稻瘟病具有顯著防效。該研究在國內(nèi)外率先提出以稻瘟病菌保守效應(yīng)子為靶標(biāo)創(chuàng)制殺菌劑的新理念。
論文評審人一致認為,他們的工作具有很強的創(chuàng)新性。這項研究在植物與微生物互作、植物和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)對尋找控制病害的新策略具有重要啟示。
**挑戰(zhàn)常識:**效應(yīng)子會是新靶標(biāo)嗎?
水稻是我國的主要糧食作物,種植面積約占我國糧食作物總面積的30%。論文共同通訊作者張正光表示,由稻瘟病菌引起的稻瘟病,嚴重時可引起水稻減產(chǎn)40%~50%,甚至顆粒無收,嚴重制約著我國水稻的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn)。目前,施用殺菌劑和利用抗病品種是防控稻瘟病的主要手段。
然而,可作為綠色農(nóng)藥創(chuàng)制的殺菌劑分子靶標(biāo)數(shù)量非常有限。據(jù)國際殺菌劑抗性行動委員會(FRAC)的統(tǒng)計,到目前為止可用于殺菌劑開發(fā)的靶標(biāo)只有20余種。多數(shù)殺菌劑是針對同一靶標(biāo)開發(fā),全球廣泛使用的殺菌劑中60%的品種只針對3個靶標(biāo)。
目前所采用的殺菌劑靶標(biāo),絕大多數(shù)是病菌生長發(fā)育的必需基因。這些基因表達的蛋白往往控制著病菌生存的重要生理生化過程,一旦破壞,病菌本身就不能存活。
張正光解釋,靶標(biāo)數(shù)量有限,導(dǎo)致現(xiàn)有藥劑作用靶點單一、結(jié)構(gòu)同質(zhì)化嚴重。病菌關(guān)鍵基因一旦發(fā)生突變,便有可能導(dǎo)致藥劑活性喪失,因而抗藥性風(fēng)險巨大。
例如,殺菌劑可能只針對特定的生物學(xué)過程發(fā)揮作用,而病原菌很容易通過單一機制的變異來產(chǎn)生抗藥性;另外,一個靶標(biāo)被多種不同的殺菌劑共同作用,病原菌可能通過對該靶標(biāo)的變異來同時抵抗多種殺菌劑,從而增加抗藥性的風(fēng)險。
“因此,深入解析稻瘟病菌與水稻互作的分子機制,挖掘新的殺菌劑靶標(biāo),創(chuàng)制綠色高效低毒殺菌劑,可望為稻瘟病的綠色防控建立新策略?!睆堈庹f。
張正光團隊在長期研究中發(fā)現(xiàn),效應(yīng)蛋白是病原菌向宿主植物--水稻分泌的一種抑制寄主免疫、促進病菌侵染的必要“武器”。
在植物與病原菌長期的互作過程中,植物依賴于細胞膜上的模式識別受體感知病原相關(guān)模式分子,觸發(fā)PTI免疫反應(yīng);而病原菌為了抑制寄主的PTI免疫反應(yīng),會分泌大量的效應(yīng)子進入寄主細胞,靶標(biāo)寄主中的重要免疫組分,抑制PTI免疫反應(yīng),引起感病性。
反過來,為了應(yīng)對效應(yīng)子觸發(fā)的感病性,植物逐漸進化出抗病蛋白,特異性識別效應(yīng)子,從而觸發(fā)更為強烈的ETI免疫反應(yīng)。寄主的ETI對病原菌產(chǎn)生極強的選擇壓力,為了生存并定殖寄主植物,病原菌的效應(yīng)子會不斷地變異、進化,從而逃避寄主抗病蛋白的識別,規(guī)避水稻的ETI免疫反應(yīng),這也是抗性品種抗性容易被克服的原因。
由此可見,效應(yīng)子多數(shù)不保守、容易變異。因而,至今未見以效應(yīng)子為靶標(biāo)研發(fā)殺菌劑的先例。
張正光團隊并沒有被常識所限制。“既然效應(yīng)子在病菌侵染過程中如此重要,能不能以保守效應(yīng)子為靶標(biāo),研發(fā)新型的稻瘟病殺菌劑?”2013年,論文共同第一作者、南京農(nóng)大植保學(xué)院副教授劉木星接過了尋找殺菌劑新靶標(biāo)的任務(wù)。
十年只為揭開效應(yīng)子神秘面紗
“其實,效應(yīng)子MoErs1功能的解析著實不易?!眲⒛拘钦f。
真核生物蛋白質(zhì)的分泌主要依賴于囊泡運輸過程,病菌效應(yīng)子的分泌也是如此。當(dāng)把調(diào)控囊泡轉(zhuǎn)運的相關(guān)基因敲除之后,病菌分泌效應(yīng)子的過程就中斷了,對水稻的侵染也就不會發(fā)生。
張正光團隊針對稻瘟病菌囊泡轉(zhuǎn)運過程已有大量工作積累,并通過胞外蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)受囊泡轉(zhuǎn)運調(diào)控分泌的效應(yīng)子。為了尋求病菌致病必需的毒性效應(yīng)子,他們對鑒定的效應(yīng)子編碼基因進行了逐個敲除,最終發(fā)現(xiàn)一種被稱為MoErs1的效應(yīng)子缺失后能夠中斷病菌的侵染過程。他們意識到這是一個非常關(guān)鍵的效應(yīng)子,或許就是研究的突破口。
2015年,他們團隊就已經(jīng)鑒定到了效應(yīng)子MoErs1?!暗怯捎谄湫蛄猩蠜]有特殊功能域,我們一直無法得知其具體的功能?!?/p>
隨后8余年,張正光團隊默默做著一步步的解析工作。“其實沒有什么特別震撼或者比較有意思的故事,它就是我們堅持不懈、投入大量時間熬出來的一個作品?!眲⒛拘钦f。為了進一步研究效應(yīng)子MoErs1的功能,揭開它的神秘面紗,他們首先對其多態(tài)性進行分析,發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)測序的來自世界各地的幾百份稻瘟病菌生理小種中不存在多態(tài)性,表明其保守性高、不易發(fā)生變異?!斑@種保守性也決定了其在稻瘟病菌致病過程中的重要性?!眲⒛拘钦f。
既然序列沒有對應(yīng)特殊功能,他們只能想辦法研究效應(yīng)子的三維結(jié)構(gòu)。盡管這個過程非常困難,但他們最終在與邢維滿團隊合作下解析了效應(yīng)子MoErs1的晶體結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)它是一類半胱氨酸蛋白酶抑制子,能夠靶標(biāo)水稻的半胱氨酸蛋白酶OsRD21,并抑制其酶活,從而干擾OsRD21在水稻免疫中的作用。
“由于MoErs1的保守性,理論上可作為新型殺菌劑靶標(biāo)開發(fā)利用?!睆堈庹f,由于保守的效應(yīng)子是在長期進化過程中被證明不容易發(fā)生突變的蛋白,因此尋找保守效應(yīng)子為靶標(biāo)開發(fā)的殺菌劑理論上也不易產(chǎn)生抗藥性。
新型殺菌劑已經(jīng)誕生
基于效應(yīng)子與水稻免疫系統(tǒng)互作的模型,他們設(shè)計出了一種二苯醚酯類化合物。該化合物能夠競爭性地與病菌效應(yīng)子MoErs1結(jié)合,抑制其靶向水稻的OsRD21,從而釋放OsRD21在水稻免疫中的作用,抵抗稻瘟病菌侵染,有效控制病害的發(fā)生。
“目前,我們已經(jīng)完成該化合物的急性毒性、三致毒性和環(huán)境毒性等預(yù)實驗,均為低毒?!眲⒛拘钦f。
2023年9月,二苯醚酯類化合物FY21001防控稻瘟病現(xiàn)場觀摩會在湖南省桃江縣舉行。與會人員觀摩了位于桃江縣高橋鎮(zhèn)羅溪村的稻瘟病防控藥效試驗基地,張正光介紹了稻瘟病發(fā)病情況、施藥過程和防治效果。
專家組現(xiàn)場查看各個藥劑處理的稻瘟病病情指數(shù)和田間防效,一致認為二苯醚酯類化合物與對照藥劑三環(huán)唑的防治效果相當(dāng)。
中國工程院院士、湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黨委書記柏連陽充分肯定了該項工作的重要意義。他評價二苯醚酯類化合物FY21001是基于原創(chuàng)性靶標(biāo)研發(fā)的具有原創(chuàng)性結(jié)構(gòu)的新型高效低毒殺菌劑,突破了傳統(tǒng)殺菌劑創(chuàng)制的局限性。其對稻瘟病田間防效突出,與現(xiàn)有稻瘟病防控主流藥劑效果相當(dāng),建議加快進入農(nóng)藥登記程序。
“圍繞這一化合物,我們獲得了4件國家授權(quán)發(fā)明專利,對化合物的骨架進行了保護。目前我們正在與江蘇中旗科技股份有限公司合作開發(fā),近兩年有望正式提交農(nóng)藥登記申請?!睆堈庹f。
效應(yīng)子是病原菌攻擊寄主的重要武器,已報道的研究主要集中于解析效應(yīng)蛋白抑制寄主免疫的機制,由于絕大多數(shù)效應(yīng)蛋白具有多態(tài)性,迄今未見以效應(yīng)子為靶標(biāo)研發(fā)殺菌劑的先例。
該項研究拓展了人們對殺菌劑研發(fā)的認知,創(chuàng)建了以效應(yīng)子為靶標(biāo)的新型殺菌劑創(chuàng)制的新策略。同時,由于效應(yīng)子是真菌特有的、分泌到胞外的蛋白,針對效應(yīng)子開發(fā)的殺菌劑具有低毒、不易產(chǎn)生抗藥性等特點,符合我國綠色農(nóng)藥創(chuàng)制的發(fā)展需求,為我國綠色農(nóng)藥創(chuàng)制開辟了新途徑。
記者/夏文燕,通訊員/許天穎