可控免疫系统有望使农作物增收
研究人员找到水稻抗病开关。图片来源：华中农大
农民通常会向农田喷洒农药，以抵御病毒、细菌或真菌的侵袭。但农药本身会存在一定的安全隐患。因此，数年来，植物学家一直在寻找摆脱这些化学品，让植物能自然抗病害的方法。
但迄今为止，大部分成果仅能抵御单一疾病。不过，美国杜克大学植物生物学家董欣年团队为水稻安上了一种“免疫系统开关”。它能在不影响作物产量的前提下，大大增强植物本身的免疫系统，并同时对抗多种病原体。研究人员近日在《自然》上连续在线发表了两篇论文。
“自从我进入该领域以来，人们就在绞尽脑汁寻找如何在需要的时间和地点激活一个免疫系统。”英国塞恩斯伯里实验室植物防御机制专家Jonathan Jones说，“这个新研究是我知道的该领域最有希望的成果之一。”
植物的免疫系统与人类的免疫系统不同。植物没有血液循环将免疫细胞送至全身各处以对抗感染。相反，它们的细胞表面有着一些受体存在，当这些受体检测到微生物释放的信号分子时就会启动免疫反应，使植物产生一系列抗微生物的化学物质，以消除感染。
20年来，董欣年一直致力于研究植物防御“主调节器”基因。这个基因名为NPR1，在模式植物拟南芥研究中十分普遍。由于它能启动植物的系统获得性抵抗（广谱免疫力），也被称为植物免疫的“主调节者”，并已成为科学家试图提高水稻、小麦、苹果、番茄等植物免疫系统的广泛目标。
但如果NPR1基因一直处于激活状态，植物的生长就会受到严重影响。“这会让植物长得很‘惨’，所以在农业上不是很有用。”董欣年说。
为了找出原因，研究人员考虑了人类免疫系统。在人的免疫系统高度活跃时，免疫系统过载，身体就会出现发高烧等反应，人体的机能自然会受到影响。同样的，当植物的免疫系统被过度激活时，植物就长不好。
于是，为了能让 NPR1发挥作用，研究人员需要给它装上一个更好的开关，使它只有在植物遭受攻击时才“打开”，并在植物正常生长时“关闭”。董欣年团队与合作者、中国华中农业大学研究人员正是发现和应用了这一机制。
在拟南芥研究中，董欣年团队发现一种叫做TBF1的免疫激活蛋白质会通过复杂过程迅速激活植物的免疫系统响应。但TBF1是如何随时开启免疫系统的？秘密可能在于植物在感受到威胁的情况下，会快速准备好一种编码TBF1的信使RNA，并将这些分子快速转译成TBF1蛋白质，然后启动一系列免疫防御机制。
很快，董欣年意识到，这段特殊的DNA 序列——“TBF1暗盒”，好像是控制植物免疫系统响应的开关。因此，研究人员从拟南芥基因中复制了“TBF1暗盒”，并将其黏在水稻NPR1基因的前方。
结果显示，一旦NPR1基因前有了这个开关，就能在病原体感染植物时，大量启动 NPR1蛋白的表达，起到抗病害的作用。而由于它的表达受病原体入侵的调控，在植物的正常生长中，NPR1 并不会起到负面效果。
研究人员发现，表达这套“可控免疫系统”的水稻，其抗稻瘟病和真菌性疾病的能力比野生型水稻更强。在野生型水稻里，水稻白叶枯菌和叶条斑病等入侵者能感染整个叶片，而带有“可控免疫系统”的水稻，能将病害控制在很小范围内。“这些植物在田里长得非常好，健康且没有受到明显损害。它们的谷粒数量和重量都没有明显改变。”董欣年说。
未参与该研究的北卡罗莱纳大学教堂山分校植物免疫系统专家Jeff Dangl表示，该研究有朝一日会成为发展中国家农民的福祉。例如，水稻瘟病每年会使全球水稻减产30%。“在发展中国家，当农民无法负担杀灭真菌药剂时，他们可能颗粒无收。”Dangl说。
加州大学河畔分校植物学家 Julia Bailey-Serres对此赞不绝口。她说：“我们的计算表明，这项研究能带来重大的影响。这套系统很容易被应用到其他作物中，而且能同时针对真菌和细菌两大病原体。”
尽管这批能抗病的植物还没在全球得到大规模推广，但Jones希望看到它更广泛的应用。“希望50年后，我的孙子孙女会不解地问我，‘爷爷，以前人们还在用农药控制植物病害吗？’这就是我们想实现的目标。”Jones说。
