如何攻克“棉花癌症”？首次发现跨界抗病新途径

作者：郭惠珊 中国科学院微生物研究所 研究员、博士生导师

什么是“棉花癌症”？我们如何攻克它？棉花是我国种植面积最大的经济作物。国家统计局数据显示，我国棉花栽培面积约5000万亩，其中约3700万亩在新疆，产量占全球总产量的22.4%。我国也是世界棉花第一大消费国，棉花消费存在较大的缺口；由大丽轮枝菌造成的棉花黄萎病，更加剧了供给的不平衡。在我国每年棉花黄萎病的发病面积超过2000万亩，数量巨大，直接和间接经济损失超百亿元。

作物黄萎病的可持续防控一直以来都面临巨大挑战。黄萎病的防控困境究其原因，主要有以下几点：

首先，与气传病害（如侵染叶子的真菌）不同，大丽轮枝菌生活在土壤中（侵染植物的根部），从根部侵染并扩展到整株棉花，在棉花的维管系统中快速繁殖，随着棉花萎蔫死亡，大量病原菌又进入土壤等待下一年的侵染。由于这种特殊的生境让农药“鞭长莫及”，因此农药对棉花黄萎病防控效果不佳，长期大量使用农药会导致大丽轮枝菌产生抗药性，农药残留还污染环境威胁人类身体健康。

另外，大丽轮枝菌不但能从带菌的秸秆就地传播，带菌的种子随着种子的调配和销售，便可能出现远距离的传播。而且大丽轮枝菌能够形成具有很强抗逆性的休眠结构—微菌核，微菌核可以在没有植物的情况下存活10年以上，所以一旦定植（在土壤中存在）就很难彻底根除，造成长期以来以轮作倒茬为代表的农业防治措施效果并不理想。尽管水旱轮作对黄萎病的防控效果明显，但我国水稻种植和棉花种植区域重合度很低，并不具备实操性。

众所周知，以作物黄萎病为代表的土传病害，最经济有效的防控手段就是利用抗病品种，通过杂交或者基因工程技术在作物中高表达抗病基因，提高作物抗性，以获得抗黄萎病的新种质。然而以棉花为代表的40年抗黄萎病育种的实践表明，占全球种植面积80%以上的陆地棉中缺乏抗原。因此，抗原依赖型的传统育种或者抗病基因依赖性的分子育种进展并不尽如人意。

既缺乏抗原又无药可治，长期以来棉花黄萎病就被学界和民间称为“棉花癌症”。因此，棉花黄萎病的防控至今仍然面临着较大挑战。

既然棉花缺乏抗黄萎病种质资源，传统育种提高抗性的路子走不通，那么，我们能否转变思路，通过抑制大丽轮枝菌的致病性来减低病害呢？ 核酸干扰（RNAi）可能就是不二的选择。RNAi是一种调控基因表达的保守机制，存在于动物、植物和真菌细胞中。RNAi的含义，简单地说就是外源导入的核酸片段，可以抑制具有同源序列的内源基因的表达。它是由双链RNA诱导产生的基因沉默现象：双链RNA首先被加工成短的RNA，约包含20-24 个核苷酸（碱基）的长度，被称为小RNA；小RNA通过碱基配对原则，识别靶标基因RNA，造成其降解从而破坏其功能作用。而在2016年发表的的研究中，我们发现作物和真菌间存在跨界RNAi，也就是说，棉花能够将自身保守的miRNA传递到大丽轮枝菌细胞，剪切大丽轮枝菌致病基因。

这种植物-真菌跨界RNAi”（跨界核酸干扰）的发现是在国际上首次报道的天然存在的基于RNA水平的免疫途径。不但为宿主诱导的基因沉默技术提供了理论基础，也丰富了植物-真菌互作理论；并使研究人员从主要关注蛋白介导的免疫研究，开始关注RNA水平的免疫调控。

2016年6月，我们就根据跨界RNAi的原理设计出了双链RNA，进行棉花转化，就是给棉花装备上了功能小RNA，这样一旦感染上大丽轮枝菌，小RNA就会进入病原菌降解其毒性RNA，减低致病性，就相当于提高了棉花的抗病性。这种技术被称为“宿主诱导的基因沉默技术”（Host-Induced Gene Silencing，HIGS）。到目前为止，经过多年的检测，与受体对照棉花相比，我们培育的抗黄萎病棉花（RNAi棉花）在实验室和病圃中都表现出良好的抗病性。

我们建立的抗黄萎病棉花培育技术，摆脱了抗病品种资源的限制。但是，棉花以及很多作物缺少成熟的遗传转化体系，转化周期长，限制了利用宿主诱导的基因沉默技术抗病育种的推广。因此，我们进一步探索基于RNAi开发不依赖作物转化的新型作物病害防控技术。在2023年8月最新的研究中，我们发现作物根际真菌间存在种间RNAi。在此基础上，我们将有益微生物作为底盘菌株，合成靶向病原微生物的双链RNA，创建了微生物诱导的基因沉默病害防控技术。与底盘菌株相比，我们构建的工程菌株，对棉花和水稻土传病害都表现出更强的抗性。微生物诱导的基因沉默技术避免了植物遗传转化，摆脱了作物缺少成熟遗传转化体系的束缚。这种高效、靶向性强且环境友好型生物农药，必将有助于解决现有的农药不能满足防控棉花黄萎病的需求。

生命科学的基础理论的研究和发展多有赖于研究技术体系的建立和完善。人工miRNA体系的创立，不但为特定小RNA的功能研究，如植物自身miRNA的功能解析，提供了重要的实验技术体系；也为 “植物-真菌跨界RNAi”的天然免疫通路的发现、并因此而发展的“宿主诱导的基因沉默技术”提供了科学的验证手段。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：郭惠珊 中国科学院微生物研究所 研究员、博士生导师

审核：叶盛 北京航空航天大学医学科学与工程学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 星空计划

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