稻瘟病是如何被预警的?基因定位确定“抗病英雄”身份

2019-11-11 10:20:31 来源:互联网

正面焦点

稻瘟病是如何预警的

刘茜在田里,观察水稻品种。这幅画是我提供的。

有攻击就有防御。像人类战争一样,植物世界的战争在几百万年的进化中积累了丰富的战斗经验。它如何刺激自身免疫系统开始战斗?面对稻瘟病菌的沉重负担,哨兵是谁?在发现敌人的情况后,他们如何传递军事情报来抵御入侵?赖斯用什么战术战斗?

经过八年的深入研究,南京农业大学万建民院士团队成功克隆了一个调控水稻先天免疫的新基因oscngc9,通过突变体鉴定、遗传分析和基因定位,揭示了该基因在苗期影响稻瘟病抗性的分子机制,通过钙离子通道发现了水稻抗稻瘟病的内在本质,揭开了水稻抗稻瘟病的奥秘。最近,相关研究成果在线发表在国际权威学术期刊《细胞研究》上。

美容专家选择了一个丑陋的家伙

南京农业大学的副研究员刘茜看到8片水稻叶子上的褐色坏死斑时皱起了眉头,就像老年斑一样。作为一名育种专家,他参加了一场选美比赛,喜欢“绿茎黄籽”和好看的稻米。这些植物必须被消灭。

他没有想到这8种水稻植物,像袁隆平发现的那些野生稻植物,会成为他最重要的科学发现,并在水稻研究领域开启一个新的里程碑。

那是2011年3月的一天,他在海南育种基地视察了他的十多万士兵——十多万株水稻。当时,八种水稻正在抽穗。像农民一样,刘茜的脸晒黑了。为了加快繁殖进度,像候鸟一样,他冬天在海南种水稻,夏天在南京种水稻。

刘茜在海南种植了10多亩水稻。他有太多的大米原料。有3000到4000种不同的育种材料。一种材料种有40株幼苗。他必须每天在野外观察、拍照和记录。他记得每株水稻的名称、数量和外观,他每月至少参观每株水稻四次。

这8个菌株根本算不了什么。只有3,000到4,000个水稻品种中的几个品种可以选择和繁殖。

几天后,他又看到了八个丑陋的家伙。“老年斑”正在蔓延,它的生长也很差。有点短。他决定等一会儿,再看一遍。

一个月后,尽管这八种丑陋生物的“老年斑”继续扩大,但它们并没有像其他普通大米一样死亡并结出果实,尽管它们有些瘦。

是什么让这8种水稻如此丑陋?看着丑家伙旁边英俊的同伴,刘茜陷入沉思,开始关注他们。收获到来时,他独自收获了八棵丑陋的植物,并把它们带回南京继续种植。

这一代栽在南京的丑八怪并不明显丑。刘茜并没有灰心,看来这家伙是单眼皮隐性基因控制的。他决定继续种植,看看这个丑陋的家伙是什么样子。

它已经连续种植了两代人。经过持续的自交和纯合,丑男的“丑”终于被稳定地继承下来,“老年斑”等特征不断出现。像第一代一样,虽然丑陋,但它能存活并繁殖后代。

2013年初,刘茜将其作为一种新的突变材料报告给万建民院士。万建民院士决定作为一个项目开始研究。

基因图谱识别抗病英雄

这个项目被移交给了王家昌,一个23岁的茅头男孩,他正在南京农业大学攻读硕士学位。指导老师王艺华教授告诉他,这个项目一直持续到毕业没有问题,但这取决于你自己。

王家昌也没想到这个项目会产生巨大的效果。他当时的计划是,只要博士候选人能够顺利毕业并找到一份好工作。

在得到这种特殊的水稻材料后,王家昌开始用遗传学和分子生物学的方法对其进行详细分析。

从田间生长的表现来看,丑陋的家伙在水稻抽穗后开始变丑——当他还是个孩子的时候,丑陋的家伙并不丑,就像普通的水稻一样。

通过基因分析,刘茜发现丑陋的家伙1/4的表现型出现在丑陋的家伙和他的正常同伴之间的第二代杂交中。根据孟德尔的遗传定律,是一个隐性基因控制着丑陋的家伙的“丑陋外表”,这与刘茜先前的猜测是一样的。

首先做基因定位。王家昌和刘茜将丑八怪的12条染色体与正常品种进行了比较,并逐一筛选,看看哪个基因发生了突变。

科学研究很无聊。水稻中有30,000多个基因。王家昌和刘茜最终根据染色体数目在9号染色体上发现了外观不同的染色体片段——分子标记。

收到这个片段后,这两个人开始进屋进行基因测序,以找到隐藏在幕后的杀手,这个杀手让这个丑陋的家伙“看起来很丑”。

他们用生化分析发现丑陋家伙的正常基因被严重破坏并失去了功能!根据这个正常基因的特征和生物学的命名规则,他们命名了OSC NGC 9基因(简称阿九)。

在生物体中,离子通道就像一扇大门,有专门的人员值班。各种离子都可以通过特殊的通道到达它们想去的地方。他们发现钙离子更喜欢穿过由阿九守卫的大门。

王家昌有点困惑:钙离子、阿九和丑人的“丑”有什么关系?我们应该朝哪个方向学习?他开始查阅各种文件。在过去的两年里,他一直在摸索:什么影响了水稻的生育力?还是它导致了水稻的衰老?也可能影响它的株高性状。“老年斑”、身材矮小和后代较少等表型性状之间有什么关系?

两年过去了,几个相关的研究方向没有取得很好的结果。王家昌非常焦虑。2015年下半年,在阅读文献时,他发现在植物抗病过程中,大量的钙离子将防御信息传递给细胞。钙离子被公认为第二信使(第一信使是植物激素——记者笔记),但“通讯兵”钙离子进入的通道一直是植物抗病领域科学家的好奇心。

这个丑陋的家伙身上的“老年斑”是许多重要免疫基因驱动功能的表现特征。阿九影响了信息传播吗?它保护钙通道吗?

稻瘟病是水稻的癌症。被袭击的大米伤亡惨重,重量减少了20%,没有谷物。农业部的数据显示,近年来,稻瘟病每年给中国造成超过30亿公斤的粮食损失,全世界每年有6000万人可以食用损失的粮食。

万院士在提出稻瘟病的研究方向时非常感兴趣,并为支持他的进一步研究提出了一些建议。根据多年的实地观察,刘茜也支持这一方向。

王家昌首先分析了阿九是否对稻瘟病有抗性。为了避免“老年斑”等因素对稻瘟病抗性分析的影响,他们选择了没有变丑的丑家伙进行抗性分析,发现其抗病性差,免疫力低,阿九与钙离子关系密切。

抗病英雄的英雄壮举

需要研究的是:阿九值班的“城门”是钙离子的专用通道吗?确定这个结论需要在动物细胞中进行电生理学实验。一个跨学科的研究问题摆在他们面前。王家昌一直在研究植物,突然变成了动物学领域,感觉失明了。

此时,中国科学院上海生命科学研究所植物生理生态研究所为他提供了将阿九转化为人类胚胎肾细胞的帮助:如果阿九负责钙离子通道,细胞内外施加电压后,钙离子会形成明显的电流。

实验结果与预期相符。当电压加到-200毫伏时,电流值达到-100帕,证实阿九是钙离子的特殊通道。

在植物抗病过程中,钙离子也通过这个通道吗?经过一系列生理生化实验,发现由于阿九“牺牲了”而没有人打开大门,钙通道失去了功能,“通讯兵”钙离子无法将军事情报传送到城市,导致防御松懈,无人作战。研究人员发现丑男的其他免疫指标低于正常大米。这表明阿九是特别军事情报频道的“情报官”值班。他们给它起了一个正式的名字——环核苷酸离子通道9。

这时,另一个问题出现在他们的脑海里。“通信士兵”的钙离子进入城市传递军事情报。谁向“情报官员”阿九报告,让“通信士兵”的钙离子在城市中顺利聚集,并通过拉响警报引发免疫反应?通过一系列生化实验,他们发现了另一个调节抗病反应的基因osrlck185(称为“A5”)。当“哨兵”A5发现外国入侵的信号时,他立即向“情报官员”阿九报告。阿九打开“大门”,让“通讯兵”的钙离子在细胞中积累,水稻中心开始免疫反应,增强水稻的抗病能力。

研究者们逐渐形成了一个战斗过程。在水稻和稻瘟病菌的战斗中,“情报官员”阿九扮演了关键角色。这篇文章的作者万建民院士给了记者一个生动的比喻。这一系列的过程就像是一场“进攻和防守的战斗”。以前,研究人员只看到“通信士兵”,对以前的“情报官员”和“哨兵”如何运作知之甚少。

本实验开辟了一个新的研究领域,通过新基因发现了钙通道,这是从病原鉴定到钙通道激活的免疫信号传递途径,揭示了新基因(oscngc9)在钙离子升高和水稻抗病性中的作用,为水稻抗稻瘟病育种提供了重要的材料和理论依据。

为了研究抗病英雄阿九是否有潜力提高水稻抗稻瘟病能力。研究人员使用转基因方法来验证它。抗病英雄阿九被转移到普通水稻品种观察抗病性的变化。

“事实上,一部分抗病基因已经被添加到水稻细胞中,这相当于添加了几个特殊的军事情报传输渠道。”王家昌解释道。

下一步是让含有新基因的细胞继续分化,培育水稻幼苗,用稻瘟病菌接种水稻幼苗,观察其生长和变化。实验证明是成功的,新基因能显著提高水稻的抗病性,数据的统计分析具有极其重要的意义。

万建民院士助理江玲教授表示,该跨学科跨平台项目由中国农业科学院作物科学研究所、中国科学院上海生命科学院植物生理生态研究所和中国科学院遗传与发育生物学研究所共同资助。

科学界非常重视“钙离子通道”的研究成果。万建民认为,这一成果为水稻抗稻瘟病育种提供了重要的材料和理论依据。

这篇文章的合著者南京农业大学的王家昌博士告诉记者,他将继续研究钙离子通道在植物中的作用。"这个项目改变了我的生活计划。"

中国青年报中国青年网记者李润文记者徐天英

福建快3 申博太阳城 网易彩票网 江苏十一选五



上一篇:41岁孙莉少女感十足:自律让你更出众

下一篇:17天打5场球,武磊已归队未必会首发!里皮或这么选择主力班底

(编辑:匿名)