郭惠珊：跨界打靶，植物与真菌背后的无间道

　　新浪财经讯  主题为“和而不同，思想无界”的CC讲坛第36期（人民网慕课“CC学院”第2期）现场演讲于2020年4月25日在北京以网络直播形式举行。来自中国科学院微生物研究所研究员郭慧珊出席并以《跨界打靶，植物与真菌背后的无间道》为题发表演讲。

　　以下为演讲全文：

　　大家好，我叫郭惠珊，来自中国科学院微生物研究所。

　　大家都知道，我们就生活在一个充满着微生物的世界。空气中、土壤下微生物无处不在。

　　微生物种类繁多，数量庞大，有病毒、细菌和真菌，还包括一些小型的原生动物。绝大多数微生物对于人类是有益微生物，在食品、工业品、医药等行业的研发和制造有非常重要的作用。还有一类有害微生物，有一些能侵染生命有机体，引起病症，甚至还具有传染性，那就是病原微生物。感染人类和动物的是动物病原微生物，感染植物并造成植物病害被称为植物病原微生物。

　　植物病害对人类的生存和发展有着极其深远的影响。1845—1852期间，马铃薯晚疫病在爱尔兰大流行，造成100多万人由于饥饿失去生命；1943年，水稻胡麻斑病在孟加拉的大流行，200万人被饿死。即便科技发展到今天，植物病害给农业造成的损伤依然触目惊心。根据联合国粮农组织的统计，每年由病虫害造成损失高达全球作物产量的1/3。

　　我们餐桌上的重要粮食作物和很多重要的经济作物都是植物病原微生物的美食。超过70% 的植物杀手是病原真菌。根据不同的传播方式和侵染部位的不同，我们可以简单的把植物病原真菌两大类：气传病原真菌和土传病原真菌。依靠气流传播、侵染植物地上部分的真菌，造成气传真菌病害，如稻瘟病、麦锈病、赤霉病、白粉病等等，今年4月麦锈病大爆发，造成九省上千万亩麦田生锈。每1%的粮食作物产量的损失，就是500万吨的粮食的损失，相当于1千万人1年的口粮。

　　而棉花、香蕉、向日葵、马铃薯等重要经济作物主要受土传病原真菌的危害，造成黄萎病、枯萎病、根腐病。土传真菌大都长期隐居于土壤中，从根部组织侵染，等到地上部位出现病症时，多是感染后期了。根本没办法像气传病害在侵染初期和早期最佳防治时期，进行大面积应急防控。土传病原真菌一旦定植很难彻底根除，土传真菌病害是严重危害农业安全最重要的一类病害，每年造成上百亿美元经济损失。

　　其实长期以来，人类和病原微生物的“战争”从来就没有停息过。右边的图，大家知道是什么吗？是新疆维吾尔族果园里的人工鸟窝，最古老的防病虫害的植保方法，至今还在沿用。当然，植物病害防控更多的还是依靠农药：化学农药和生物农药。早期，化学农药对植物病虫害的防控可以说是功不可没。比如新烟碱类杀虫剂，蚜虫在一定时期内得到了有效控制，但随着20多年的长期使用，目前蚜虫普遍产生了很强的抗药性，不得不加大农药施用量。看科学杂志上的图对各国农药使用量的调查，这个世界就像一个“农药星球”。农药的长期和过量使用给人民健康和生态环境带来巨大的隐患。

　　况且，像一些土传病害，农药还未必有作用。比如像大家看到的图片上的棉花黄萎病，就没有有效的药物。所以，发展新型的、绿色的防控技术就非常重要。

　　我实验室本来是研究植物病毒的，一个偶然的机会让我开始研究真菌。2008年我去新疆开一个植物病毒的会议，当时我有一个新疆的客座博士生高峰，说要带我去看棉花，很高兴就跟他去了，可是高峰带我去看的不是白花花的棉花，而是一片狼藉的棉花病田。当时我真的被惊到了，也立刻明白了高峰的用意。因为在那之前两年，他在我实验室做客座研究学习时就时不时和我讲棉花黄萎病如何严重，防控如何困难，让我们也做一些研究，可是我总是一笑而过，因为我的研究课题都是做病毒的，我也不懂真菌。

　　可是，当我在田间目睹那样的景象，再也不可能无动于衷了。“民以食为天”是刚需，可是“衣食住行”，衣在第一位啊。棉花是最重要的天然纤维来源，是纺织工业的主导原料。中国是全球最大的棉花消费国，每年棉花消费量超过全球总产的40%，但我们的棉花生产自给量低于70%， 已成为我国继大豆和食用油之后第三大进口农产品。当我了解到每年仅由于黄萎病造成的经济损失就高达十几亿美元，而且棉花黄委病还在逐年加重并且没有有效的防控手段时，我真的就暗下决心，要挑战棉花黄萎病，和它“死磕到底”。

　　开完会回到北京我就开始查阅资料，了解到这个病原真菌属于轮枝菌，中国科学家也已经鉴定了在中国造成棉花黄萎病是其中一个种，叫大丽轮枝菌，而且是以微菌核的休眠结构隐藏在土壤里，能够耐受零下40度到零上40度的恶劣环境。

　　因为没有更多的信息可以参考，我们就从头开始。我们就从棉花病田分离到病原菌，为了方便研究和观察，我们用荧光蛋白标记大丽轮枝菌。大家可以看到绿色的菌丝和孢子，当在培养盆中加入真菌孢子，6个小时就观察到它们已经吸附到植物的根上，12个小时后就开始萌发，2天就产生大量的菌丝缠绕在根（红色）的周围，但仔细观察我们就发现，只有少数的菌丝能够刺穿根的表皮，第3天就看到菌丝穿过皮层直达根中间的维管束系统，类似人类的血管系统，然后开始快速繁殖，从5天的根纵切面和横切面都可以看到大量的菌丝，7天菌丝充满整个维管系统，并进入侧根，10到12天产生更多新的菌丝伸出根外并破坏根尖。

　　大家是不是觉得很奇怪，为什么大量的菌丝，只有少数能侵入到根里？所有的菌丝长得也没什么区别啊。可能有人想，是不是根上面有伤口？不是的，我们通过仔细研究就发现，当真菌遇到棉花的根的时候，就有少数的菌丝能诱导侵染结构，我们称它为附着枝，附着枝底部能伸出一个侵染钉。真菌是利用侵染结构一层一层刺穿根细胞壁，直到到达中间的维管束系统。那我们的这个发现就结束了二十几年来科学家对这个菌是否有侵染结构的争论，同时也明确了这个菌的侵染过程。

　　虽然真菌从根部侵染，但它的繁殖并不极限在根里，它们沿着维管系统延伸到地上的叶子，因为我们能从叶片中分离到菌丝。慢慢的，叶子开始出现病症，就像人生病诱导了免疫反应一样，发烧发炎，以期这样可以杀死病原菌。但是这个菌它不怕，当叶子萎蔫，到最后枯竭死亡，它又可以开始利用枯死的植物材料作为营养，进入它的腐生阶段。最后通过菌丝变态、产生黑色素和孢子，最后变成又黑又硬的微菌核又回到土壤中去，等待下一次的侵染。所以，大丽轮枝菌是从活体寄生到死体腐生的半活体寄生 土传维管束病原真菌，每一次的侵染都是一次复活、繁衍后代的过程。

　　所以，从土里侵染，定殖于维管束系统，大量繁殖后产生休眠结构又回到土里。对这样的土传维管束病害，农药对它的防控作用可以说是微乎其微的。而生产棉花又缺少对黄萎病的抗性资源，那么有没有什么办法可以对抗这个植物杀手呢？

　　我实验室长期从事植物抗病毒RNA干扰的研究。那么什么是RNA呢？大家可能都知道细胞中的遗传物质DNA，从DNA到产生它的产物蛋白质中间，就需要经过RNA一步。而生物细胞中还存在一类小RNA，小RNA非常短，不产生蛋白，但每一条密码都不一样。如果小RNA的密码和某个长链RNA的密码正好匹配上，小RNA就会黏上去，那么这条长链RNA生命就走到尽头了，这就叫RNA干扰，形象的说就是打靶，这些小RNA就像密码剪。那我们就想：既然很难通过提高植物的抗性来抵抗这个菌，那么，我们能不能通过“RNA打靶”来削弱这个菌的致病力呢？为了探讨这个可能性，我们就利用菌丝能伸出体外的特性把菌丝收集起来进行实验。有一天，我的博士生张涛非常高兴地告诉我，他从这些菌丝中鉴定到来之棉花的小RNA，而且他还检测到两个植物的小RNA进入到真菌细胞后能够找到各自匹配的真菌的目标RNA进行精准打靶。这就是国际上首次发现的自然存在的植物-真菌之间的RNA干扰，所以叫“跨界RNA干扰”，就是 “跨界打靶”的意思。

　　有了这个“跨界打靶”基础理论为依据，我们就开始研发抗病技术。比如说，我们可以设计带有不同密码的人工小RNA，让它们定向干扰侵染钉产生，或者破坏侵染钉的强度，等等。给棉花装备上各种特定靶向的密码剪，当病原菌侵染棉花时，这些小RNA就可能被送入到真菌细胞，找到各自匹配的靶标RNA，进行精准打靶，从而削弱真菌的致病力。

　　图片中展示的就是我们获得的4个装备有“跨界打靶”能力的棉花品系，我们称它们为RNAi棉花，RNA爱棉花。在实验室和新疆病田检测都表现出良好的抗病性。

　　为了使研究更接地气，2017年，我又回到新疆，我们在新疆建立了田间工作站，在病圃中验证了一代一代RNAi棉花抗病稳定性。不同的品系提高了20%到45%抗病性。现场观摩的行业内权威专家对我们的工作给予了的高度肯定。

　　国内外主流媒体包括中央电视台新闻直播间，世界科技新闻发布平台等对我们的工作也进行了的广泛报道和评价。认为我们的成果是基础研究驱动行业突破技术瓶颈的典范，为棉花黄萎病的可持续防控打开了希望之门。这也就是说，通过基础研究，进行抗黄萎病棉花种质资源创新的路子是对的。

　　这就鼓励我们进一步去了解植物和病原菌的跨界信号和它们的作用规律，因为这样才能指导我们进行人工模拟和操纵。我们最近就发现，病原菌利用这个侵染钉和植物紧密接触的特点，形成一个有效的分泌通道，把一些小蛋白分泌到植物细胞中干扰植物的抗性。我们这些发现大大鼓舞和吸引了高峰，他再次加入了我的团队参加研究，他最近就发现病原菌的一个效应蛋白破坏植物抗病免疫的全新模式，这就为我们跨界打靶又提供了非常有价值的靶标物质。更有意思的是，最近我的学生还发现了真菌分泌一个效应蛋白，进入植物破坏小RNA的合成。正所谓道高一尺魔高一丈，小RNA和效应蛋白就像植物-病原菌攻防战中 跨界博弈 的“兵”和“卒”。我们正在努力一点一点地撬开植物-土传病原菌“无间道”的黑箱。通过认知不同的靶点的功能，研发新一代的打靶技术。

　　RNAi棉花作为一个新事物，要想实现大面积应用还有不少工作要做。我们正与行业专家对RNAi棉花的安全性、和培养的突破性品种等方面广泛开展合作。目前联合培育的具有优良综合形状新品系，正严格按照国家关于新品种申报的各项流程进行申报审定，一旦通过整个审定流程，获得了新品种，将可以推广应用，真正的服务棉花和纺织产业。

　　这几年我和团队几乎跑遍了新疆所有的棉花种植区域，每到一处饱受黄萎病困扰的棉农都会围着我们不停的诉说黄萎病的危害，每每这个时候我们就更能体会到“科研必需面向国民经济主战场、科研成果不光要写到纸上更要写到大地上”这些话的分量。

　　绿色植物是人类在地球上赖以生存的基础，我们国家高度重视植物病害防控。2020年3月的国务院令就公布“农作物病虫害防治条例”。联合国也将2020年定为国际植物健康年。守护植物健康，建立绿色、可持续的植物病害防控体系意义重大。跨界RNA干扰技术是对传统防治策略的一个重要补充，对没有抗性资源的农作物，跨界RNA干扰技术就更显示它的优势。我们也希望跨界打靶技术能够为其他作物防控土传病害提供有价值的借鉴。发展RNA干扰技术，必将为农业生物安全提供重要的技术保障。

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责任编辑：梁斌 SF055