另辟蹊徑對抗“水稻癌癥”

 稻瘟病田間為害癥狀。受訪者供圖

■本報記者 李晨

被稱為“水稻癌癥”的稻瘟病是一種毀滅性真菌病害，每年給我國造成的糧食損失高達30億公斤，嚴重制約我國主糧作物的穩產、高產和優產。

為了攻克稻瘟病，南京農業大學植物保護學院教授張正光帶領團隊與病菌較量了近30年。近日，該團隊聯合上海師范大學教授邢維滿團隊在《自然-植物》發表了最新研究成果，在國內外率先提出以稻瘟病菌保守效應子為靶標創制殺菌劑的新理念。

他們發現了稻瘟病菌特有的保守毒性效應子MoErs1，并揭示其抑制寄主免疫的機制。基于該機制，他們設計的二苯醚酯類化合物對稻瘟病具有顯著的防治效果。

挑戰常識：效應子會是新靶標嗎？

水稻是我國的主要糧食作物，種植面積約占我國糧食作物總面積的30%。張正光告訴《中國科學報》，由稻瘟病菌引起的稻瘟病，嚴重時可引起水稻減產40%~50%，甚至顆粒無收。目前，施用殺菌劑和利用抗病品種是防控稻瘟病的主要手段。

然而，可用于綠色農藥創制的殺菌劑分子靶標數量非常有限。根據國際殺菌劑抗性行動委員會的統計，目前可用于殺菌劑開發的靶標只有20余種。多數殺菌劑是針對同一靶標開發的，全球廣泛使用的殺菌劑中60%的品種只針對3個靶標。

目前所采用的殺菌劑靶標，絕大多數是病菌生長發育的必需基因。這些基因表達的蛋白往往控制著病菌生存的重要生理生化過程，一旦遭到破壞，病菌本身就不能存活。

張正光解釋說，由于靶標數量有限，導致現有藥劑作用靶點單一、結構同質化嚴重。病菌關鍵基因一旦發生突變，便有可能導致藥劑活性喪失，因而抗藥性風險巨大。

例如，殺菌劑可能只針對特定的生物學過程發揮作用，而病原菌很容易通過單一機制的變異產生抗藥性；另外，一個靶標被多種不同的殺菌劑共同作用，病原菌可能通過對該靶標的變異同時抵抗多種殺菌劑，從而增加抗藥性風險。

“因此，深入解析稻瘟病菌與水稻互作的分子機制，挖掘新的殺菌劑靶標，創制綠色高效低毒殺菌劑，有望為稻瘟病的綠色防控建立新策略。”張正光說。

張正光團隊在長期研究中發現，效應蛋白是病原菌向宿主植物——水稻分泌的一種抑制寄主免疫、促進病菌侵染的必要“武器”。

植物與病原菌長期互作過程中，植物依賴于細胞膜上的模式識別受體感知病原相關模式分子，觸發PTI免疫反應。而病原菌為了抑制寄主的PTI免疫反應，會分泌大量效應子進入寄主細胞，引起感病性。

反過來，為了應對效應子觸發的感病性，植物逐漸進化出抗病蛋白和特異性識別效應子，從而觸發更為強烈的ETI免疫反應。為了生存并定殖于寄主植物，病原菌的效應子會不斷變異、進化，從而逃避寄主抗病蛋白的識別，規避水稻的ETI免疫反應。

由此可見，效應子多數不保守、容易變異，因而至今還沒有以效應子為靶標研發殺菌劑的先例。

但張正光團隊并沒有被常識所限制。“既然效應子在病菌侵染過程中如此重要，能不能以保守效應子為靶標，研發新型稻瘟病殺菌劑？”2013年，南京農業大學植物保護學院副教授劉木星接過了尋找殺菌劑新靶標的任務。

揭開效應子神秘面紗

“其實，對效應子MoErs1功能的解析著實不易。”劉木星回憶說。

真核生物蛋白質的分泌主要依賴于囊泡運輸過程，病菌效應子的分泌也是如此。當把調控囊泡轉運的相關基因敲除后，病菌分泌效應子的過程就中斷了，對水稻的侵染也就不會發生。

為了尋找病菌致病必需的毒性效應子，張正光團隊對鑒定的效應子編碼基因進行了逐個敲除，最終發現一種被稱為MoErs1的效應子缺失后能夠中斷病菌的侵染過程。他們意識到，這是一個非常關鍵的效應子，或許是研究的突破口。

2015年，張正光團隊就鑒定到了效應子MoErs1。但由于其序列上沒有特殊功能域，導致他們一直無法得知其具體的功能。

在之后的8年多時間里，張正光團隊默默做著一步步的解析工作。為進一步研究效應子MoErs1的功能，揭開它的神秘面紗，他們首先對其多態性進行分析，發現在已經測序的來自世界各地的幾百份稻瘟病菌生理小種中不存在多態性，表明其保守性高、不易發生變異。“這種保守性決定了其在稻瘟病菌致病過程中的重要性。”劉木星說。

既然序列沒有對應特殊功能，張正光團隊只能想辦法研究效應子的三維結構。最終，他們與邢維滿團隊合作解析了效應子MoErs1的晶體結構，發現它是一類半胱氨酸蛋白酶抑制子，能夠靶標水稻的半胱氨酸蛋白酶OsRD21，并抑制其酶活，從而干擾OsRD21在水稻免疫中的作用。

新型殺菌劑已經誕生

基于效應子與水稻免疫系統互作的模型，研究人員設計出一種二苯醚酯類化合物。該化合物能夠與病菌效應子MoErs1結合，抑制其靶向水稻的OsRD21，從而發揮OsRD21在水稻免疫中的作用，抵抗稻瘟病菌侵染，有效控制病害的發生。

“目前，我們已經完成該化合物的急性毒性、三致毒性和環境毒性等預實驗，均為低毒。”劉木星說。

2023年9月，二苯醚酯類化合物FY21001防控稻瘟病現場觀摩會在湖南省桃江縣舉行。專家組在現場查看了各個藥劑處理的稻瘟病病情指數和田間防效，一致認為二苯醚酯類化合物與對照藥劑三環唑的防治效果相當。

中國工程院院士柏連陽評價，二苯醚酯類化合物FY21001是基于原創性靶標研發的具有原創性結構的新型高效低毒殺菌劑，突破了傳統殺菌劑創制的局限性。其對稻瘟病田間防效突出，與現有稻瘟病防控主流藥劑效果相當，建議加快進入農藥登記程序。

張正光表示，該研究拓展了人們對殺菌劑研發的認知，創建了以效應子為靶標的新型殺菌劑創制新策略。同時，由于效應子是真菌特有的分泌到胞外的蛋白，針對效應子開發的殺菌劑具有低毒、不易產生抗藥性等特點，符合我國綠色農藥創制的發展需求，為我國綠色農藥創制開辟了新途徑。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41477-024-01642-x

《中國科學報》 (2024-04-10 第4版 綜合)