对抗植物病原菌大丽黄萎病菌

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“由大丽黄萎病引起的农作物黄萎病长期以来被学术界和公众称为‘农作物癌症’。如何防治农作物黄萎病,确保重要农作物的健康和安全?我们应该‘向科学寻求答案’ ”。

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我们为什么要研究植物病原微生物?

植物病原微生物(包括细菌、病毒和真菌)感染植物可能会引起严重的症状,有的甚至具有传染性,常常带来灾难性的后果。 其中,植物真菌病害是威胁植物健康的最重要因素之一。 世界上70%以上的植物病害是由病原真菌引起的。 从1840年马铃薯晚疫病引发的欧洲社会动荡,到如今小麦锈病、稻瘟病引发的粮食大规模减产,始终让科研人员警醒和鞭策:威胁从未远离,植物和病原真菌都在此时没有火药的战争一直在进行,要赢得食物和细菌还有很长的路要走。 如何利用现代科学技术了解战场动态,在关键时刻向植物伸出援手,从而影响战争平衡。 保护植物健康是每一位生物学家毕生的追求。

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大丽黄萎病如何危害植物?

根据植物病原真菌的传播方式和侵染部位,植物病害可简单分为气传病害和土传病害。 空气传播疾病是感染植物地上部分并通过气流传播的病原体。 它们包括大多数众所周知的作物病害,例如威胁粮食安全的稻瘟病和小麦作物锈病。 相反,侵染植物地下部分并通过土壤中的媒介(流水、种子、线虫等)传播的土传病害称为土传病害,如根腐病、枯萎病、黄萎病等。农作物枯萎。 其中,植物土传病原真菌是名副其实的植物杀手。 首先,由于土传真菌病害主要侵染植物的地下部分,因此在发生时不能像空气传播的真菌病害那样使用化学杀菌剂进行紧急处理。 其次,土传病原真菌寄主范围广泛,几乎可以侵染所有绿色植物,造成严重症状,持续威胁全球生态和农业产业安全。

大丽黄萎病是最具代表性的土传真菌病原体之一。 它从根部感染并定植于维管组织中,从而引起植物黄萎病。 大丽黄萎病也是寄主范围最广的植物病原真菌之一,可侵染200多种作物,包括世界上最重要的纤维作物棉花、第二大油料作物向日葵、第四大粮食作物马铃薯等。 一系列关系国计民生的重要农作物(图1)。 由大丽黄萎病引起的黄萎病每年造成惊人的损失。 仅就棉花而言,我国每年直接经济损失就高达200亿元。 由于其危害巨大、防治难度大,该菌已被我国海关总署列为重要的植物病原检疫对象。

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图1:农作物黄萎病症状

A:棉花黄萎病(郭惠善实验室拍摄); B:向日葵黄萎病(图片由内蒙古农业大学赵军老师提供); C:马铃薯黄萎病(图片由西南大学鲁殿秋老师提供)

农作物黄萎病的可持续防治一直面临着巨大的挑战。 主要原因如下:

基于此,农作物黄萎病长期以来被学术界和公众称为“农作物癌症”。 如何防治和预防农作物黄萎病,确保重要农作物的健康和安全? 我们应该“向科学寻求答案”。 以分析大丽黄萎病与其宿主的相互作用为出发点,扎实开展基础研究,推动防控技术突破瓶颈,是摆在科技工作者面前的重要选择。

近年来,棉花黄萎病逐渐成为研究农作物黄萎病的重要模式系统之一。 在国家和各级政府一系列黄萎病重大专项的支持下,黄萎病基础研究逐渐成为热门赛道。 多项重要发现为认识黄萎病的致病过程提供了新的视角,也为黄萎病的可持续防治提供了明确的方向。

科学家分析了棉花黄萎病菌的入侵过程,发现大丽黄萎病菌侵入宿主时,会形成感染结构(附着枝条和感染钉),并突破宿主表皮(图2)。 从形态上看,侵染结构与其他菌丝没有太大区别,只是末端稍稍膨大,但有其特殊的分子特征。 附着的分支细胞中存在一种特定类型的蛋白质,它促进感染钉的产生以刺穿植物根部表皮。 大丽黄萎病入侵后,为了抑制宿主的免疫反应,会在分泌通道中发育出感染钉,将大量的蛋白质(效应物)输送到宿主细胞内,干扰或逃避宿主的抗疾病免疫力。 大丽黄萎病的这套“组合拳”确保了它在与宿主的战争中获胜的地位。

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图 2:大丽黄萎病产生特殊的感染结构 – 附着的树枝和感染钉 – 侵入植物根部表皮和组织。

A:大丽黄萎病侵入根面的显微照片(绿色荧光标记大丽黄萎病,红色荧光标记植物根部); B; 大丽黄萎病菌侵染棉花根部的过程(星号表示侵染结构); C:绿色荧光标记感染结构的特定蛋白; D:大丽黄萎病菌侵染结构(附着枝及侵染钉)电镜照片; E:大丽黄萎病感染宿主的横截面显微照片(红色标记为植物维管组织,绿色标记为大丽黄萎病); F:不产生感染结构的突变体不能侵入根部。

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科学研究如何助力黄萎病防治?

小RNA介导的植物抗真菌病新途径的发现无疑是近年来最令人兴奋的基础研究成果之一。 研究人员发现,植物会将自身产生的特定小RNA跨境传递到真菌细胞中,利用真菌的核酸干扰系统降解真菌毒力基因,降低真菌的致病性,从而减轻甚至预防植物病害。 有害。 这一发现不仅拓宽了人们对植物免疫的认识,也为突破抗原依赖性传统抗病育种技术的瓶颈提供了理论支撑。 在此基础上,科研人员将小RNA靶点的筛选、小RNA载体的制备以及小RNA生成棉花(RNAi棉花)的打造等一体化,实现了让棉花携带自身靶向小RNA绿色“抗菌”的目标。代理人” ; 同时,对RNAi棉花鉴定、抗病性检测等技术进行优化和标准化,建立跨境小RNA介导的作物抗病种质创新体系,在旱地首次实现黄萎病抗病品种棉布。 品质创新。 小RNA跨境传播现象的发现不仅导致了抗黄萎病陆地棉种质创新的突破,而且推动了植物抗病虫育种技术的发展。 跨界小RNA介导的大豆抗胞囊线虫、小麦抗蚜虫、锈病、水稻抗稻瘟病等新种质资源取得突破。 这一系列成果再次印证和凸显了基础研究的重要性。

图3 跨界小RNA介导的抗黄萎病棉花种质创新

A; 小RNA穿越王国并降解植物真菌细胞中毒力基因的示意图。 B; 重病田RNAi棉花抗性试验

近年来,除了在抗黄萎病种质创新领域取得突出成果外,西兰花诱导的土壤微生物组修复也被应用于黄萎病的防治、生防新菌株的发现以及抗黄萎病的防治等方面。新型杀菌剂的开发。 两人都取得了良好的进步。 相信在国家的大力支持和指导下,在广大科技工作者的不懈努力下,以黄萎病为代表的“植物癌”未来一定能得到防治。

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