我国主要农作物病害灾变机制与综合防控研究进展:2018年-2022年

刘文德, 代玉立, 邵小龙, 张 昊, 陈华民, 靳怀冰, 刘文文,彭 焕, 张丹丹, 李智强, 钱国良, 刘太国, 陈捷胤

(1. 中国农业科学院植物保护研究所，植物病虫害综合治理全国重点实验室，北京 100193；2. 福建省农业科学院植物保护研究所，福州 350013；3. 南京农业大学植物保护学院，南京 210095)

农作物病害是造成粮食重大产量损失和品质下降的主要因素,严重威胁我国的粮食安全。此外,植物病原真菌还可产生真菌毒素,如黄曲霉Aspergillusflavus产生的黄曲霉毒素、镰刀菌Fusarium产生的镰刀菌毒素、青霉属Penicillium和曲霉属Aspergillus真菌产生的赭曲霉毒素以及麦角菌属Claviceps产生的麦角碱等。这些混杂在粮食和饲料中的真菌毒素易引发急、慢性中毒和诱发癌症,严重威胁人畜的生命健康。近年来,尽管我国化学农药使用量已实现了“负增长”,但是每年的农药防治面积仍十分庞大,达5.6亿hm2次以上,是我国耕地面积的4倍多。农业生态环境污染现象依然存在,农药残留超标仍时有发生[1]。因此,农作物病害综合防治事关我国粮食安全、生态安全、农产品质量安全以及人民生命健康。

“十三五”以来,随着种植业结构调整、气候与生态环境变化以及国际贸易日趋便捷和频繁,农作物病害发生与危害规律发生了根本性演替,对我国农业持续丰收构成严重威胁。原生性有害生物频繁暴发,灾害持续不断,经济损失巨大,如小麦赤霉病、稻瘟病、水稻病毒病、棉花黄萎病等大规模连年发生,危害程度之重、持续时间之长均为历史罕见。据统计,小麦赤霉病在中国年均发生面积已超过560万hm2,占全国小麦总面积的25%,大流行年份发病率超过50%,减产可达20%以上[2]。镰刀菌产生的多种真菌毒素污染小麦,影响人畜健康,据抽检结果显示,我国小麦和饲料样品中毒素检出率高达71.0%～95.8%,超标率从2012 年的1%上升到2016 年的18.7%[3]。黄萎病在棉花主产区持续加重,年均损失60亿元左右,且成为马铃薯、茄子、向日葵等作物的新发病害。危险性外来有害生物入侵所造成的生物灾害问题不断凸现,如梨火疫病、小麦矮腥黑穗病存在扩散风险。部分次要病害因种植结构调整、气候变化等因素,已逐渐发展成为毁灭性灾害,如稻曲病一直以来被认为是水稻上的次要病害,但是由于近十几年高产杂交品种和高水肥栽培模式的大力推广,导致稻曲病上升为我国水稻上最重要的病害之一。因此,积极开展重大病害暴发成灾机制和作物抗性机制研究,研发监测预警、绿色防控等技术和产品,为重大病害的可持续治理提供科技支撑,已成为植物病理学科发展的永恒课题和挑战。

植物病理学科相关理论和技术的创新与突破是植物病害绿色防控的关键,是我国粮食安全、生态安全、生物安全和农产品质量安全的重要保障。近年来,我国众多的研究单位和科技工作者以农作物重大病害为研究对象开展了系列研究工作,并取得了许多重要进展。本文主要概述了2018年-2022年我国学者在重要农作物(水稻、小麦、玉米、棉花等)真菌病害、卵菌病害、细菌病害、病毒病害、线虫病害致病性和抗病性方面的重要研究进展,并总结了各类病害新近发展的监测预警及绿色防控关键核心技术。同时,比较了我国植物病理学科研究水平与发达国家的差距及我国存在的主要问题,并提出了未来的发展趋势和对策建议。

1 研究进展

1.1 农作物真菌病害

1.1.1主要农作物病原真菌的致病性

在致病相关基因调控下,植物病原真菌可有效黏附于寄主表面,形成侵染结构,成功侵入寄主植物,完成体内定殖与扩展。近年来,我国科学家以水稻、小麦、玉米、棉花、油菜等重要农作物上的主要病原真菌为研究对象,围绕致病关键基因调控病原菌生物学及其致病分子机制研究方面取得了系列重要进展。在水稻稻瘟菌Pyriculariaoryzae、稻曲病菌Ustilaginoideavirens致病机理方面,张正光团队报道了稻瘟菌辅助活性因子MoAa91不仅参与附着胞形成,而且作为几丁质结合蛋白与水稻CEBiP蛋白竞争结合几丁质,从而抑制几丁质诱导的植物免疫反应,促进稻瘟菌的侵染[4]。稻瘟菌辅助因子MoSwa2通过调控COPⅡ囊泡的解聚,介导效应子的外泌,从而抑制寄主活性氧的迸发,促进稻瘟菌在水稻中的成功定殖[5]。王国梁团队通过鉴定稻瘟菌效应蛋白MoCDIP4在水稻中靶标线粒体分裂相关的OsDjA9-OsDRP1E蛋白复合体,探究了线粒体分裂和抗病反应的相互作用关系,同时发现MoCDIP4与OsDjA9通过影响OsDRP1E蛋白的丰度调控水稻的线粒体分裂和免疫反应[6]。在真核生物中保守的能量调节蛋白SnRK1A与XB24(XA21结合蛋白24)互作,并使其Thr83氨基酸磷酸化,从而提高ATP酶活性,调控植物免疫信号途径。孙文献团队发现在侵染初期,稻曲病菌分泌效应蛋白SCRE1竞争性与OsXB24互作,一方面阻碍了XB24与ATP结合,另一方面抑制了SnKR1A与XB24互作,从而抑制SnRK1A-XB24磷酸化级联和ATP酶活性[7]。刘永锋团队从稻曲病菌分泌液中鉴定到一个在真菌中保守的微生物相关分子模式(microbe-associated molecular patterns,MAMPs),富含丝氨酸-苏氨酸的糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白SGP1,它是一种新型、热稳定的蛋白类激发子,植物能特异性识别SGP1中保守的22个氨基酸肽段(SNP22)以诱导植物的细胞死亡和抗病性反应,SNP22在稻曲病菌进化和适应性生存中具有在水稻叶部诱导水稻对病原菌的抗性,在穗部参与病原菌致病性的双重作用。该结论为解析稻曲病菌与水稻互作的分子机制研究奠定了重要的理论基础[8]。

小麦条锈病是我国小麦生产上的一种重要真菌病害。近年来,康振生团队在条锈菌Pucciniastriiformisf.sp.tritici中连续发现多个效应子操控寄主免疫的致病新机制:富含丝氨酸的效应子Pst27791作为重要的致病因子靶向寄主感病激酶TaRaf46,抑制寄主活性氧积累、防御基因表达及MAPK级联通路激活,促进条锈菌侵染[9];效应蛋白Pst_A23直接与可变剪接位点特异RNA基序结合调控寄主抗病相关基因的可变剪接,抑制寄主免疫反应,促进病菌侵染[10];条锈菌特异效应子PstSIE1能够在体内和体外与抗性相关锌结合蛋白TaRAR1竞争性结合免疫因子TaSGT1,进而干扰TaSGT1-TaRAR1复合物的形成以抑制寄主免疫[11]。这些研究明确了效应子调控小麦免疫机理,对开发新的条锈病防控策略具有重要意义。

在小麦赤霉病致病机理研究方面,许金荣团队解析了小麦赤霉菌F.graminearum蛋白激酶PKA通过磷酸化Set3脱乙酰化复合体的核心组件FgSnt1,使其N末端和C末端区域之间的自抑制相互作用得以实现,进而调控Set3脱乙酰化复合体的活性[12];马忠华团队研究发现甾醇生物合成抑制剂(sterol biosynthesis inhibitor,SBI)能够激活病菌体内高渗透甘油激酶信号途径,被激活的FgHog1激酶进入细胞核磷酸化转录因子FgSR,进而将染色质重塑复合体SWI/SNF招募至药靶基因(FgCYP51s)的启动子区,引起药靶基因高水平转录,转录因子FgSR的发现有望成为治理真菌耐药性的关键靶点[13]。许金荣团队和刘慧泉团队合作发现孤儿分泌蛋白Osp24对赤霉病菌在穗轴中的扩展具有重要作用,同时Osp24可靶向小麦TaSnRK1α激酶,招募泛素-26S蛋白酶体以加速TaSnRK1α的降解,从而导致小麦感病[14];胡小平团队揭示了我国主要麦区单麦穗镰刀菌种群的多样性,其中亚洲镰刀菌F.asiaticum和禾谷镰刀菌F.graminearum是我国麦区的优势种群;随着麦穗上镰刀菌种群多样性的增加,DON、15Ac-DON和ZEN毒素的含量显著降低,但NIV毒素含量明显增加[15]。

在玉米病原真菌致病机理方面,刘文德团队和董金皋团队分别在玉米炭疽菌Colletotrichumgraminicola和大斑病菌Exserohilumturcicum中鉴定到20多个具有CFEM (common in fungal extracellular membrane)保守结构域的蛋白,这些蛋白在病原菌侵染玉米过程中具有正向调控其侵染以及抑制玉米细胞程序化死亡的生物学功能[16-17];唐威华团队研究发现玉米细胞壁相关受体激酶ZmWAK17对赤霉病菌引起的茎腐病具有抗病功能,而禾谷镰刀菌分泌的CFEM效应子与玉米胞外蛋白ZmWAK17ET和ZmLRR5结合,抑制了ZmWAK17的抗病功能[18];Turgeon团队在玉米小斑病菌Bipolarismaydis中发现核糖核酸酶NUC1是小斑病菌的毒力因子[19]。

在棉花黄萎病菌效应子研究方面,郭惠珊团队发现大丽轮枝菌Verticilliumdahliae的聚多糖脱乙酰酶基因(VdPDA1)对几丁质寡糖具有去乙酰化作用,使几丁质寡糖不能被寄主植物的受体识别,抑制了寄主的免疫反应[20];张杰团队发现大丽轮枝菌效应子VdSCP41能够进入寄主细胞核内,直接靶向植物重要免疫转录因子CBP60g和SARD1,干扰CBP60g转录活性,抑制下游植物免疫而实现毒力功能[21];陈捷胤团队发现大丽轮枝菌利用Asp型CFEM从寡营养环境夺取铁元素和Asn型CFEM抑制免疫反应,从而夺取寄主铁元素并逃逸免疫以促进其在维管束定殖[22];该团队通过系统梳理上述已经鉴定出的大量具有致萎活性的分泌蛋白,明确这些分泌蛋白通常发挥降解植物细胞壁、操控寄主免疫、干扰植物激素信号、细胞毒性、清除活性氧、营养代谢、菌丝生长和调控微生物群落等功能,并引起寄主叶片黄化萎蔫;同时发现这些分泌蛋白可以引起导管堵塞并具有细胞毒性,最终造成叶片黄化萎蔫,是黄萎病“堵塞”的重要诱因,平息了黄萎病“毒素”和“堵塞”两种学说的长期争论[23]。

在大丽轮枝菌群体结构与基因组研究方面,陈捷胤团队研究发现落叶型大丽轮枝菌通过水平转移从枯萎病菌获得特异基因片段(VdDfs),该片段编码蛋白参与N-酰基乙醇胺(NAE12:0)的合成并转运至棉花,进而干扰棉花体内的磷脂代谢通路,增强了植物对脱落酸(ABA)的敏感性,最终在大丽轮枝菌毒力功能的协作下引起了寄主叶片脱落[24];该团队基于大丽轮枝菌1号、2号和3号生理小种的基因组测序,鉴定出3号生理小种的无毒基因VdR3e,研发出大丽轮枝菌3号生理型分子检测技术[25];在解析大丽轮枝菌黑色素合成的基因簇、关键聚酮合酶及转录调控因子的基础上进一步阐明了聚酮合酶VdPKS9调节大丽轮枝菌营养体生长和菌核形成的分子机制[26-27]。在棉花枯萎病研究方面,马平团队就我国新发现的枯萎病菌F.oxysporumf.sp.vesinfectum菌株的形态学、产生的毒素种类以及致病力情况进行了详细分析,明确镰刀菌酸是棉花枯萎病菌产生的主要毒素,致病力与毒素的含量呈正相关[28]。

在其他作物病原真菌致病机制研究方面,姜道宏团队发现了参与核盘菌Sclerotiniasclerotiorum致病及发育相关蛋白SsEmp24及其互作蛋白SsErv25,这2个蛋白的功能缺失导致核盘菌生长、菌核及侵染垫形成异常,致病力显著下降[29];欧阳寿强团队与美国加州大学河滨分校Katherine A. Borkovich团队合作揭示了尖孢镰刀菌F.oxysporum效应子Fol-milR1跨界后通过调控寄主抗枯萎病重要基因的表达,同时与寄主SlyAGO4a蛋白结合,干扰寄主防御反应,该研究拓展了番茄-尖孢镰刀菌互作研究视角,为番茄抗枯萎病育种提供了新策略[30]。

1.1.2主要农作物对真菌病害的抗病性

植物抗病性与其众多优良农艺性状是拮抗关系。李家洋团队和陈学伟团队合作鉴定出一个典型的多效基因IPA1,IPA1可以调控水稻生长发育、抗病性、环境适应性等,增加IPA1在水稻中的表达量可增加水稻的穗粒数,但是会导致分蘖数降低,影响增产潜力[31]。但也有关于水稻抗性与产量协同进化的报道,王文明团队发现了一种由稻曲病菌胞质效应子介导的致病新机制,并以该效应子为分子探针在水稻上挖掘到一个显著提高抗稻曲病、同时不影响水稻产量的基因,为培育高产抗稻曲病水稻提供了理论支撑[32]。

在水稻抗病机制解析方面,何祖华团队发现RRM(RNA-recognition motif)转录因子PIBP1特异性地与PigmR及其他类似的核苷酸结合结构域和亮氨酸富集重复区的受体类蛋白(nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat receptors,NLRs)互作,PigmR促进PIBP1在水稻细胞核中积累,增强水稻对稻瘟病的抗性[33];刘文德团队联合陈小林团队利用多组学策略,发现水稻在chitin和flg22诱导下差异表达基因中有许多防御相关基因和一些关键的生长防御平衡主调节基因在水稻模式触发的免疫(pattern-triggered immunity,PTI)响应过程中介导生长-抗病之间的平衡[34];刘文德团队筛选到稻瘟菌无毒蛋白AvrPi9在水稻中的一个互作蛋白ANIP1,它通过与泛素受体蛋白OsRPN10、OsRPN13等结合介导自身的降解,从而负调控水稻的基础防御反应,进一步研究发现在无Pi9的水稻中,AvrPi9可以通过维持ANIP1的稳定性促进其对稻瘟菌抗性的正调控因子OsWRKY62 的降解,以达到减弱寄主免疫反应的目的[35]。何祖华团队研究发现水稻广谱抗病受体蛋白NLR通过保护免疫代谢通路免受病原菌攻击,协同整合植物PTI和效应蛋白触发的免疫(effector-triggered immunity,ETI)反应,进而赋予水稻广谱抗病性[36];王文明团队揭示了Osa-miR160a-OsARFs模块调控水稻对稻瘟菌、白叶枯病菌Xanthomonasoryzaepv.oryzae和纹枯病菌Rhizoctoniasolani的广谱抗性及其机制[37];NLR受体蛋白Piz-t赋予水稻对稻瘟菌的广谱抗性,环型E3连接酶互作蛋白APIP10负调控Piz-t在水稻中的积累。宁约瑟团队发现APIP10与两个水稻转录因子OsVOZ1和OsVOZ2互作,并通过26S蛋白酶体途径促进其降解,OsVOZ1在植物中表现出转录抑制活性,而OsVOZ2具有转录激活活性,OsVOZ1和OsVOZ2负调控水稻的基础防御反应,但对Piz-t介导的免疫反应有积极贡献[38]。

感病基因通过促进病原菌识别、侵入寄主或负调控植物免疫反应发挥感病功能。康振生院士团队鉴定了多个小麦感病基因,通过基因编辑技术突变这些感病基因,显著提高了小麦对条锈菌的抗性。如类钙调磷酸酶B样蛋白(calcineurin B-like proteins,CBLs)互作蛋白激酶(CBL-interacting protein kinases,CIPK)参与调节植物钙信号依赖的各种生理过程。水稻中OsCIPK14/15为倍增基因,正调控微生物相关分子模式诱导的防御反应,小麦的同源蛋白TaCIPK14和TaCIPK15与水稻OsCIPK14/15蛋白不同,瞬时沉默TaCIPK14后,小麦对条锈菌的抗病性显著提高,伴随着产孢减少、H2O2积累增加和病程相关基因显著上调表达;过表达TaCIPK14的转基因材料对条锈菌感病性增加;利用CRISPR/Cas9基因组编辑技术在六倍体小麦中同时敲除了A、B、D基因组中的TaCIPK14基因,创制出不影响其他农艺性状的广谱抗病材料[39]。同时,康振生院士团队挖掘出全球首个被病菌毒性蛋白利用的小麦感病基因TaPsIPK1——编码胞质类受体蛋白激酶,该激酶能够被条锈菌分泌的毒性蛋白PsSpg1劫持,从细胞质膜释放进入细胞核,在细胞核操纵转录因子TaCBF1,抑制抗性相关基因的转录,增强TaPsIPK1的转录水平,放大TaPsIPK1介导的感病效应,促进小麦感病;利用基因编辑技术精准敲除感病基因TaPsIPK1,破坏了毒性蛋白和感病基因的识别和互作,实现了小麦对条锈病的广谱抗性;在进一步的在大田试验中,小麦编辑品系在保持作物主要性状品质的前提下,展现出了高抗条锈病的特点,具有很好的应用潜力[40]。

相较于其他真菌病害,小麦赤霉病的抗性基因极为匮乏,正式命名的小麦赤霉病抗性基因只有7个(Fhb1～Fhb7)[41-43]。近年来,我国科学家在小麦抗赤霉病基因克隆和利用方面取得重大突破,孔令让团队成功克隆了来源于长穗偃麦草Elytrigiaelongata的抗赤霉病主效基因Fhb7。该团队利用小麦-十倍体长穗偃麦草的代换系7E2/7D和7E1/7D进行基因定位,并利用二倍体长穗偃麦草的基因组进行候选基因筛选,最终发现Fhb7编码一个谷胱甘肽S-转移酶,可以破坏DON等毒素的环氧基团而产生解毒效应,赋予小麦对赤霉病的广谱抗性,并成功应用于小麦育种[41],为小麦抗赤霉病育种提供了遗传材料和理论指导。

在玉米抗病基因挖掘及其抗病机制研究方面,段灿星团队通过单细胞测序绘制了玉米根尖高分辨率细胞图谱,阐明了玉米根尖主要细胞类型对镰刀菌侵染根系的应答机制和关键基因调控模块,构建了玉米根尖免疫调控网络[44]。发育调控与免疫应答的平衡是玉米研究领域的重大课题,吴庆钰团队解析了玉米信号开关分子—G蛋白可同时调节分生组织发育和免疫信号传导的双重调控机制[45];王官锋团队发现一类植物体内的半胱氨酸蛋白酶metacaspase(MC)通过与NLR类免疫受体蛋白Rp1-D21互作改变其亚细胞定位,进而抑制玉米细胞程序化死亡[46];储昭辉团队成功从玉米中克隆到抗纹枯病基因ZmFBL41,该基因通过调控细胞壁重要组分木质素的生物合成而增强植物抗病性[47]。

此外,我国科研人员还克隆了大量玉米抗病新基因。严建斌团队通过多组学手段克隆出2个抗玉米小斑病的新基因ZmFUT1和MYBR92[48];赖志兵团队成功地从玉米祖先大刍草Euchlaenamexicana中克隆了对玉米大斑病、玉米南方锈病和玉米灰斑病表现广谱抗病性的新基因ZmMM1,并鉴定到了一个能够增强ZmMM1蛋白翻译水平的调控序列qLMchr7C117,从而揭示了玉米广谱抗病性的分子机制,为玉米抗病遗传改良提供了新的抗性资源[49];杨平团队联合瑞士苏黎世大学Beat Keller团队和德国KWS育种集团Milena Ouzunova团队完成了玉米抗大斑病基因Ht2/Ht3的克隆,并证实Ht2/Ht3是细胞壁相关受体样激酶基因ZmWAK-RLK1的等位基因,Htn1和Ht2/Ht3编码的ZmWAK-RLK1蛋白的不同之处在于存在多个氨基酸多态性位点,这些多态性影响了细胞外结构域,进而否认了几十年来Ht2、Ht3和Htn1被描述为具有不同小种谱和抗性反应的独立抗性基因座的传统认知[50];丁俊强团队报道一个NLR类抗病基因RppC,并从南方锈病菌Pucciniapolysora中鉴定到与RppC互作的无毒蛋白AvrRppC,揭示了P.polysora通过AvrRppC突变来实现对RppC的逃逸[51];赖志兵团队克隆出另一个广谱抗南方锈病的基因RppK及其对应的无毒基因AvrRppK[52];杨琴团队和北卡罗来纳州立大学Peter Balint-Kurti团队研究证明ChSK1是玉米小斑病的感病基因,该基因突变或敲除可显著提高大田玉米对小斑病的抗性[53]。

在棉花黄萎病抗性机理研究方面,马峙英团队鉴定出数个棉花抗病和感病基因,其中感病基因GhNCS编码S-去甲乌药碱合成酶,在耐病品种‘NDM8’和感病品种‘CCRI8’中沉默该基因都导致抗病性显著增强,使‘NDM8’由耐病变为抗病,使‘CCRI8’从感病变为耐病[54];该团队还通过棉花自然变异群体的黄萎病抗性全基因组关联分析(genome-wide association study,GWAS),发现13个未知的核心优异等位变异与黄萎病抗性显著相关,关联信号最高峰值在Dt11区段(68 798 494 bp-69 212 808 bp)稳定出现,该Dt11区段聚集着21个抗病功能基因,其中包括一个之前未描述的L型凝集素结构域受体激酶(GhLecRKs-V.9)基因簇,研究结果表明该Dt11区段对控制黄萎病抗性有重要作用[55];此外还发现位于At10染色体上的关联基因GhnsLTPs通过改变苯丙烷途径中木质素和类黄酮代谢流的变化调控棉花对枯萎病、黄萎病的抗性,并且GhnsLTPs通过在棉花根与叶中特异性表达影响广谱抗性功能[56];张献龙团队报道了棉花通过调节茉莉酸(jasmonic acid,JA)积累调控对黄萎病的抗性机制,该研究从陆地棉中鉴定出激酶GhCPK33,GhCPK33定位于过氧化物酶体中,并通过磷酸化GhOPR3(12-oxophytodienoate reductase 3)降低其稳定性,从而限制JA生物合成;感染黄萎病菌后,棉花GhCPK33的表达水平显著上调,推测黄萎病菌可能通过GhCPK33抑制JA积累和JA信号传导从而促进感染[57]。目前对于植物质外体免疫系统的组分及其在识别、防御病原微生物侵染过程中的生理功能研究相对较少。夏桂先团队从棉花和大丽轮枝菌互作体系中分离鉴定了来源于棉花质外体的富半胱氨酸蛋白CRR1、几丁质酶Chi28以及来源于大丽轮枝菌的丝氨酸蛋白酶VdSSEP1,当大丽轮枝菌入侵时,棉花外泌Chi28和CRR1到根质外体中,其中Chi28能够降解病原菌细胞壁的几丁质,而大丽轮枝菌则分泌丝氨酸蛋白酶VdSSEP1来水解棉花Chi28,从而阻止其对几丁质的降解,为了反击病原菌的对抗,棉花外泌的CRR1在质外体中与Chi28相互作用,稳定Chi28使其免受VdSSEP1降解,从而增强棉花的免疫防御[58]。

在棉花枯萎病抗性机理方面,朱龙付团队鉴定到了一个陆地棉抗枯萎病主效基因Fov7,并首次发现谷氨酸类受体(glutamate receptor-like,GLR)可作为非典型主效抗病基因调控植物免疫反应,在高抗枯萎病的棉花品种中抑制GhGLR4.8的表达或通过基因编辑突变GhGLR4.8都使得棉花品种变得极为感病;同时,根据GhGLR4.8在抗病和感病品种中等位基因的SNP变异开发了基于PCR扩增的分子标记,并建立了可区别GhGLR4.8抗病基因型和感病基因型的检测体系,可实现棉花抗枯萎病种质资源的快速筛选与鉴定[59]。

其他重要农作物抗病机制研究方面,马青团队解析了小G蛋白ShROP1、ShROP11和微丝骨架(actin cytoskeleton)聚合因子ShARPC3、ShARPC5的功能,首次证实Ⅰ型ROP蛋白ROP1和Ⅱ型ROP蛋白ROP11均能参与植物对病原菌的免疫响应;并且证明番茄中微丝骨架聚合因子ShARPC3和ShARPC5通过诱导植物产生HR和ROS响应生物胁迫[60];师恺团队研究证明,PSK作为一种损伤相关的分子模式,主要由PSKR1感知,PSKR1能够增加胞质Ca2+浓度并激活生长素介导的相关途径,从而增强番茄对灰葡萄孢Botrytiscinera的免疫力[61]。

1.1.3主要农作物真菌病害监测预警及绿色防控关键核心技术研发与应用

十三五以来,在国家重点研发计划“两减”和“粮丰”专项的大力资助下,我国主要农作物真菌病害监测预警及绿色防控关键技术研发取得了突破性进展。在稻瘟病绿色防控理论与技术创新方面,彭友良团队通过对稻瘟菌群体优势无毒基因的研究,建立了基于稻瘟菌群体优势无毒基因布局抗瘟基因的关键技术;创新性地提出了水稻抗瘟品种培育和筛选的抗谱阈值理论;合作培育了抗瘟水稻新品种12个,鉴定出抗瘟品种50余个;创建了以抗瘟品种布局为核心,依据品种抗菌株谱精准施药的稻瘟病绿色防控技术体系。在稻曲病绿色防控技术研发与应用方面,刘永锋团队建立了稻曲病精准诊断和监测技术,创制了3个绿色防控新药剂,集成构建“前茬菌核消减,孕穗前期预警,破口前分区防控”的稻曲病绿色防控技术体系,防效达80%以上,减药达47%,该成果荣获2022年度江苏省科学技术奖一等奖。

在小麦条锈病监测预警技术开发方面,康振生院士团队采用大数据、人工智能、传感器等技术开发了“小麦条锈病智能化监测预警技术”,实现了小麦条锈病的自动化、智能化监测与预警,检测准确率达90%以上,该技术入选农业农村部2023年10项重大引领性技术。在小麦抗病基因挖掘与抗病育种方面,孔令让团队首次发现并克隆抗赤霉病主效基因Fhb7,将携带Fhb7基因的抗赤霉病种质材料‘A075-4’与‘济麦22’杂交并回交,选育出综合抗性突出的小麦新品种‘山农48’,该成果荣获2023年度山东省自然科学奖一等奖;王源超团队和王秀娥团队合作,通过转基因技术将大豆疫霉Phytophthorasojae致病因子XEG1的受体蛋白基因RXEG1分别导入3个赤霉病易感小麦品种‘济麦22’ ‘矮抗58’和‘绵阳8545’,显著提高了小麦对赤霉病的抗性[62],上述研究为丰富小麦抗病资源库和进一步选育和利用抗病品种防控小麦真菌病害提供了重要的原材料。

在玉米病害绿色防控技术研发与利用方面,赵久然团队培育出多抗玉米新品种‘京科968’,对玉米茎腐病、大斑病、丝黑穗病、瘤黑粉病等主要春播区玉米病害具有较高抗性;蔡保松团队利用木霉菌群诱导,显著提高了玉米对多种真菌病害的抗性,并提出了相关增产增效技术;开发出防治玉米茎腐病和叶斑病等病害的9种木霉生防制剂,10种低毒化学种衣剂,构建了适应机械化种植的玉米病害绿色防控技术体系。

在棉花病害绿色防控技术研发与利用方面,中国农业科学院棉花研究所、新疆农垦科学院、河北农业大学、中国农业科学院生物技术所等培育了抗枯萎病和黄萎病的棉花新品种‘中棉所301’‘新陆早33’‘冀棉25’和‘中棉所45’等,为以种植抗病品种为核心的黄萎病综合防控技术提供保障;马平团队利用西兰花残体还田策略有效控制了黄萎病的发生[63];在生物防治产品方面,登记了多个防治棉花黄萎病的微生物杀菌剂(1 000亿孢子/g枯草芽孢杆菌可湿性粉剂),采用包衣、滴灌等方式在棉花主产区推广应用。

真菌病毒在植物真菌病害的生物防治研究方面,姜道宏团队报道了真菌病毒SsHADV-1(Sclerotiniasclerotiorumhypovirulence-associated DNA virus 1)将核盘菌S.sclerotiorum转变为可以和油菜互利共生的内生真菌,通过多年多地的田间防效试验,发现该病毒可以显著降低油菜菌核病的发生,提高产量[64]。基因编辑技术在油菜抗病材料选育方面,姜道宏团队利用CRISPR/Cas9技术对油菜中核盘菌效应蛋白的靶标基因BnQCR8进行编辑,获得了对菌核病和灰霉病抗性均显著增强的油菜植株;同时,编辑BnQCR8基因对油菜的生物学性状及种子含油量等没有显著影响,显示出其在抗病分子育种中具有潜在重要应用价值[65]。

1.2 农作物卵菌病害

1.2.1农作物病原卵菌的致病性

病原卵菌与寄主植物互作过程中通常会激活效应子,进而改变寄主植物的生理及免疫反应。王源超团队鉴定和解析了多个大豆疫霉P.sojae效应子的作用机制,发现效应子Avh110通过与大豆类异染色质蛋白GmLHP1-2和同源结构域指状蛋白GmPHD6结合,破坏GmLHP1-2介导的核转录复合物组装及其转录活性,促进病原菌侵染[66];解析了效应子PsAvh240的晶体结构,发现其通过抑制植物天冬氨酸蛋白酶的外泌破坏植物质外体的免疫[67];解析了无毒效应子Avr1d与参与免疫反应的新蛋白GmPUB13的U-box功能域的复合晶体结构,表明病原菌通过分泌效应蛋白与GmPUB13互作来干扰植物免疫反应[68];发现了大豆疫霉通过N-糖基化修饰保护核心效应子免受寄主天冬氨酸蛋白酶攻击,提出植物和病原菌共同进化的新模式——“多层免疫模式”[69]。马文勃团队和麻锦彪团队合作,在5种疫霉菌中共鉴定了293个具有LWY重复结构的效应子,且发现不同的LWY模块可进行重排组装,塑造了效应子像“瑞士军刀”一样的多面功能[70]。乔永利团队发现疫霉效应蛋白PSR1通过与宿主可变剪接因子PINP1特异性结合,抑制sRNA的生成,导致寄主对疫霉敏感性增加[71]。窦道龙团队发现拟南芥中一组未知功能的蛋白可与植物免疫调控因子ACD11互作,命名为BPA1(ACD11的结合配体)和BPLs(类BPA1蛋白),进一步研究发现BPA1/BPLs通过稳定植物细胞中的ACD11来影响其介导的活性氧爆发与细胞死亡等过程,而辣椒疫霉P.capsici效应子RxLR207干扰BPA1/BPLs的正常功能,促进病原菌活体阶段到死体阶段的转变,引起植物发病[72]。

此外,多组学的迅速发展也加速了卵菌效应子的鉴定、功能验证及互作机制的研究。董莎萌团队首次解析了卵菌基因组DNA甲基化修饰的形成机制,并绘制了全基因组DNA的甲基化图谱,为进一步揭示卵菌致病性、抗药性等重要性状的变异机制提供理论基础[73]。交叉学科的发展也将进一步促进卵菌与寄主植物互作的机理探究。荷兰瓦赫宁根大学Joris Sprakel团队利用表面变形成像、分子断裂传感器技术结合数学建模,揭示了卵菌入侵寄主的生物力学机制——“Naifu”入侵,Naifu入侵模式使疫霉不需要专门的侵染结构或产生巨大的膨压就可以入侵寄主[74]。

1.2.2主要农作物对卵菌病害的抗性

植物通过识别病原卵菌的效应蛋白激发一系列的防卫反应,对特定病原菌表现出抗病性。王源超团队鉴定到大豆疫霉核心致病因子XEG1的受体蛋白RXEG1,发现RXEG1通过质外体中的LRR结构域与XEG1结合,并与类受体激酶BAK1和SOBIR1形成复合体,激活植物广谱抗性[75]。王源超团队与柴继杰团队合作研究发现,XEG1与RXEG1的结合引起了RXEG1岛区及C末端的构象发生明显变化,从而诱导共受体BAK1和SOBIR1结合;破坏RXEG1免疫识别受体功能后,其依然能够发挥对XEG1水解酶的抑制作用,揭示了细胞膜受体蛋白具有“免疫识别受体”和“抑制子”的双重功能[76]。张淑珍团队发现大豆受到大豆疫霉侵染时,GmMKK4-GmMPK6-GmERF113级联被激活,通过持续磷酸化激活大豆对大豆疫霉的应答,从而提高大豆对大豆疫霉的抗性[77]。董莎萌团队发现马铃薯抗病基因Rpi-vnt1.1对晚疫病的抗性具有光依赖性,Rpi-vnt1.1的激活需要核编码的叶绿体蛋白甘油酸盐激酶GLYK,光照诱导可变启动子调控GLYK产生两种转录本,从而影响植物抗病性[78]。单卫星团队发现植物免疫负调控因子RTP7通过影响线粒体电子传递链复合体Ⅰ亚基nad7转录本的内含子剪接,调控线粒体复合体Ⅰ的活性并影响线粒体活性氧(mitochondrial reactive oxygen species,mROS)的产生,mROS介导的免疫调控对包括疫霉在内的多种病原菌表现出广谱抗病性[79]。

1.2.3主要农作物卵菌病害监测预警及绿色防控关键核心技术研发与应用

近年来,我国在植物病原卵菌的监测预警和绿色防控技术研究上取得了系列突破性进展。在纳米农药研发方面,沈杰团队、窦道龙团队以及尹梅贞团队合作研发了纳米级星状聚合阳离子农药递送系统用于马铃薯晚疫病的防治。该递送系统能够大幅度减小农药粒径至纳米级,并增强植物细胞介导的胞吞作用相关基因的表达,提升药剂的吸收与扩散,田间药效试验证实该递送系统显著提升了生物农药壳聚糖和丁子香酚对马铃薯晚疫病的防效[80]。利用作物多样性控制病害是实现绿色防控的有效途径之一。在植物病原卵菌生态调控技术研究方面,詹家绥团队与隋启军团队合作,发现增加马铃薯品种多样性,可稀释病原菌亲和生理小种菌源量,并可利用抗性植株阻碍、抗性诱导和微环境改变等生态效应降低马铃薯对晚疫病菌的选择压力,进而降低晚疫病菌的进化速度和致病力,从而显著降低品种多样性高田块的晚疫病发病程度[81]。

在主要蔬菜卵菌病害检测预警和绿色防控技术研发方面,张修国团队研发了主要蔬菜卵菌病害检测预警技术体系,集成创建了以品种抗灾和检测预警为核心技术,以高效栽培防病、生态控害、生物防治和精准用药减灾为关键技术的综合治理技术体系,累计推广应用96.5万hm2次,平均防效达80%以上,显著降低了我国主要蔬菜卵菌病害发生面积与危害程度,累计新增利润78.02亿元,该成果荣获2018年度国家科学技术进步奖二等奖。

1.3 农作物细菌病害

1.3.1农作物病原细菌的致病性

1.3.1.1植物病原细菌致病性的调控机制

在农作物病原细菌Ⅲ 型分泌系统(type Ⅲ secretion system, T3SS)等致病性相关调控机制方面,前期研究表明,转录因子HrpR和HrpS形成异源六聚体,激活σ因子HrpL的表达,HrpL通过与启动子中“hrp盒”结合来诱导T3SS通路上的所有基因;而邓新团队发现萨氏假单胞菌菜豆致病变种Pseudomonassavastanoipv.phaseolicola(Psph)中调控T3SS的关键转录因子HrpS可作为一个独立的全局转录因子直接调控下游T3SS和非T3SS基因的转录,不依赖于σ因子HrpL[82];邓新团队联合严健团队利用指数富集的配体系统进化(systematic evolution of ligands by exponential enrichment,SELEX)技术分析了Psph中100个转录因子的DNA结合序列特异性,并构建了全基因组水平的转录因子调控网络,由此发现多个新的T3SS调控蛋白[83];黄丽丽团队发现丁香假单胞菌猕猴桃致病变种P.syringaepv.actinidiae(Psa)中类OmpR转录因子可结合hrpR/S启动子区域,负调控其转录,参与Psa的多个生物过程[84];赵志博团队发现PsaT3SS中hrpR基因上游的保守位点参与hrpR/S的转录调控,并通过“HrpRS-HrpL-T3SS/效应因子”级联调控系统调节T3SS的功能[85];该团队还发现hrpL基因启动子的单碱基G166的自然变异,破坏了σ54启动子的结合,导致hrpL表达降低,部分解释了田间出现了Psa的弱毒菌株的原因[86];陈华民团队发现水稻白叶枯病菌X.oryzaepv.oryzae(Xoo)中两个σ54因子(RpoN1和RpoN2)均参与了对Xoo致病性的调控,RpoN2通过与转录激活因子PilRX结合调控XooⅣ型鞭毛的合成、运动性和致病性[87],通过与FleQ结合调控Xoo的致病性、运动性以及鞭毛素的糖基化修饰[88],而RpoN1不仅间接地调控RpoN2的转录且特异性地参与了细菌生长的调控,揭示了细菌σ54因子调控的新机制[89];范晓静团队发现青枯雷尔氏菌Ralstoniasolanacearum(Rs)中转录因子CrgA可结合鞭毛基因的启动子,影响细胞运动与鞭毛形成和致病性[90];刘凤权团队发现水稻白叶枯病菌中存在一种TrpR样蛋白PXO_TrpR,负调控Trp合成基因的表达,影响Xoo的致病能力与氧化应激能力[91];该团队同时发现假定蛋白PXO_03177能调控Xoo的致病性,且受核苷酸受体蛋白Clp的直接调控[92]。黄丽丽团队发现Psa中的T6SS与T3SS间存在复杂关系,T6SS通过调控细菌竞争、生物被膜形成和环境适应性影响致病性[93];邓新团队揭示了Psph、Xoo和Rs在营养限制条件下T3SS调控因子、效应蛋白和结构蛋白的翻译延伸机制[94];谢华团队发现芹菜软腐病菌Pectobacteriumcarotovorumsubsp.odoriferum(Pco)中一种新型的T6SS以及特异的调控山梨糖醇代谢的srl操纵子[95];范加勤团队发现胡萝卜果胶杆菌胡萝卜亚种P.carotovorumsubsp.carotovorumPccS1引起浸渍状是由于其致病相关基因抑制植物体内胼胝质沉积,以及PccS1产生的果胶溶酶将寄主植物细胞裂解,并非细菌的T3SS引起植物细胞死亡[96]。

在双组分系统(two component systems, TCSs)动态调节植物病原细菌的致病能力及环境适应性机制方面,邓新团队阐明了Psph中TCS调控蛋白RhpR可作为一个“分子开关”,在不同营养环境下直接调控代谢途径和磷酸化水平依赖的毒力调控通路[97];RphR可接受多个组氨酸激酶(PSPPH_5115, PSPPH_3736, 和 PSPPH_3550)的磷酸化信号[98];该团队进一步发现了Psph中的5个新的T3SS关键调节因子(EnvZ-OmpR, CbrAB2, PhoPQ, PilRS和MgrA),其中EnvZ-OmpR和CbrAB2是T3SS的关键抑制子,并阐明了新调节因子在不同环境适应机制下的动态调控模式[99];同时,融合多组学数据技术从全双组分系统组的水平发现了7个新的TCSs参与T3SS、运动性和胞外多糖产量的调控,全面阐释了丁香假单胞菌的环境适应性与致病性之间的复杂网络调控关系[100];周晓辉团队发现了胡萝卜果胶杆菌P.carotovorumPC1多个参与致病性的毒力因子基因、耐药基因、病原基因、分泌系统、TCSs和细胞壁降解酶同源基因[101];钱韦团队注释了欧美杨细菌溃疡病菌Lonsdaleaquercinasubsp.populi的TCSs,其中双组分系统KdpD-KdpE参与细菌毒力的调控[102];该团队还发现野油菜黄单胞菌野油菜致病变种X.campestrispv.campestris(Xcc)中组氨酸激酶VgrS的蛋白水解抑制其自磷酸化并促进Xcc的渗透胁迫抗性[103],同时MarR家族转录因子HpaR能够正调vgrR-vgrS操纵子的转录水平[104];孙文献团队发现水稻细菌条斑病菌X.oryzaepv.oryzicola(Xoc)中次级信使环二鸟苷酸(c-di-GMP)的结合蛋白FimX与双组分系统PdeK-PdeR形成复合物促进Xoc中的Ⅳ型菌毛(pilus)的组装和其致病力[105];何晨阳团队发现Xoo中存在一种新的转录因子TriP,可与双组分系统中的磷酸二酯酶PdeR特异性互作,进而调节Xoo的致病力[106]。

在多种酶类、环二鸟苷酸(c-di-GMP)和群体感应(quorum sensing,QS)系统参与植物病原细菌致病性的调控机制方面,邓音乐团队发现青枯雷尔氏菌(Rs)中的脯氨酸氧化酶PutA可作为调节因子,调控病原菌的毒力与生物学功能[107];荣成博团队发现北京欧文氏菌Erwiniabeijingensis(Eb)中糖基转移酶基因影响Eb多糖分泌、生物膜的形成能力、黏附能力及致病力[108];邓新团队发现Lon蛋白酶也可行使转录因子的功能,进而调控Psph的T3SS基因表达[109];同时,c-di-GMP也参与Psph的鞭毛组装、胞外多糖、铁载体以及超氧化物歧化酶合成[110];贾燕涛团队发现Xcc中脯氨酸亚胺肽酶(PIP)通过调控细胞内c-di-GMP水平调控鞭毛运动、T3SS和HR反应[111];钱韦团队证明c-di-GMP特异性结合Xcc的组氨酸激酶(HK)RavS,促进RavS与其调节蛋白RavR之间的特异性[112];何晨阳团队发现Xoo中的EAL结构域蛋白EdpX1通过c-di-GMP信号通路调节细菌的多种毒力表型[113];邓音乐团队发现并解析了邻氨基苯甲酸(anthranilic acid)调控R.solanacearum(Rs)中多种QS信号分子的调控途径和致病性的分子机制,并发现邻氨基苯甲酸通过特异性结合受体蛋白RaaR,进而增强其与靶基因启动子DNA区域的结合能力[114-115];张炼辉团队发现,Rs中QSS在调节细菌运动、生物膜形成、纤维素酶形成等方面起到关键作用[116]。

1.3.1.2植物病原细菌与寄主植物的多种互作模式

研究发现多种寄主植物产生的植物激素或次生代谢产物能够调控病原细菌的适应性和致病性。周俭民团队发现拟南芥次生代谢物萝卜硫素(sulforaphane,SFN)直接靶向细菌T3SS的关键转录因子HrpS,进而抑制丁香假单胞菌的毒力[117];刘凤权团队发现Xcc中一种新型感应转录因子SstF能够识别寄主产生的SFN,并直接调控SFN耐受关键基因saxF的转录表达来提高病菌对SFN的耐受性和病菌的毒力[118];进一步研究发现,SFN也可以通过直接靶向调节蛋白OxyR抑制Xcc的氧化应激适应和毒力[119];刘凤权团队还发现褪黑素对Xoo的生长有显著抑制作用[120];邓音乐团队发现Xcc利用寄主植物的糖代谢产物,促进自身QS依赖的扩散性信号因子(diffusible signal factor,DSF)产生,增强其致病性[121];何亚文团队发现Xcc侵染寄主植物时,酚酸诱导病原菌中hca基因簇表达,降解阿魏酸(ferulic acid,FA)、芥子酸(sinapic acid,SiA)等酚酸类化合物可解除广谱抑菌活性与抗氧化活性[122];陈功友团队发现Xoo通过突变TALE类无毒蛋白中间重复区序列,逃避抗病基因识别与结合,导致寄主植物的抗性丧失[123];杨秀芬团队联合张易团队发现丁香假单胞菌番茄致病变种P.syringaepv.tomato(Pst)依赖于JA信号传导途径诱导锌指转录因子ZAT18的表达,抑制水杨酸(salicylic acid,SA)途径关键基因eds1转录,减少SA积累,最终抑制寄主植物的防御反应[124];邓音乐团队发现寄主植物中L-谷氨酸是R.solanacearum(Rs)胞外多糖、纤维素酶活性、运动性和生物膜形成的关键活性成分,促进Rs的定殖,加速病害发生[125]。

1.3.1.3植物细菌效应蛋白与植物多种途径互作的新机制

基于细菌效应蛋白的鉴定与功能研究是病原与寄主互作免疫基础理论的重要“抓手”。辛秀芳团队和加拿大布鲁克大学团队分别报道了Pst效应蛋白AvrE和HopM1通过植物脱落酸(ABA)途径调控气孔关闭,创造利于细菌生长的微环境[126-127];张杰团队发现Xoo中效应蛋白XopK具有E3泛素连接酶活性,将水稻中重要免疫受体激酶直接泛素化修饰并介导其降解,抑制植物免疫反应[128];刘俊团队发现Pst效应蛋白与植物铁传感器蛋白相互作用并以其为靶点,促进寄主植物中铁吸收和病原体增殖[129];Alberto Macho团队报道,Rs效应蛋白RipAK可以抑制寄主植物丙酮酸脱羧酶(PDC)寡聚化和酶活,促进病菌侵染和繁殖[130];李博团队阐明了Rs中T3SS效应蛋白RipAB可靶向寄主植物的免疫调节中心转录因子TGA,破坏SA信号通路,以实现成功侵染[131];该团队还发现Rs的效应蛋白PehC能激活番茄根系免疫反应,同时水解寡半乳糖醛酸(OG)产生半乳糖醛酸(GalA),为Rs提供碳源,促进其在木质部定殖和生长[132];丁新华团队联合储昭辉团队从高毒力的Xoc中分离得到了在中国模式菌株RS105中未发现的4个类转录激活效应蛋白(TAL),可负调节SA相关防御,使水稻对Xoc和Xoo的易感性增强[133]。

细胞壁是植物病原细菌侵染的一大屏障,王远宏团队发现Pst效应蛋白HrpH裂解细胞壁、结合肽聚糖,协助T3SS穿透细菌细胞壁[134];赵志博团队与黄丽丽团队合作发现Psa的效应蛋白HopAZ1与猕猴桃Actinidiachinensis抗病相关蛋白Cp1、PR5互作,激发一定程度的抗病反应[135]。许多植物病原菌通过气孔进入寄主植物体内,陈功友团队联合美国南卡罗来纳大学傅正擎团队发现黄单胞菌的T3SS效应子XopAP在局部定殖类病原菌中保守存在,如叶肉中定殖的病原菌,可干扰液泡酸化,阻止气孔关闭以利于病原菌侵染[136];董汉松团队联合宋从凤团队发现Xoo和Xoc的TAL效应蛋白通过水稻核输入载体向水稻细胞核转运,进而引发水稻白叶枯病和水稻条斑病[137]。

1.3.2主要农作物对细菌病害的抗病性

在关键抗病基因的作用模式研究方面,王源超团队发现类受体激酶NbBIR2可以正向调控烟草Nicotianatabacum的微生物抗性和flg22诱导的免疫反应,类受体激酶NbBAK1竞争性地与E3连接酶NbSNIPER2a或NbSNIPER2b结合,避免NbBIR2被泛素化及降解,以传递病原体相关分子模式(pathogen-associated molecular patterns,PAMPs)触发的免疫信号[138];何祖华团队发现MKP-MAPK-MYB信号在木质素生物合成和维管对Xoo的抵抗中的作用在水稻中是保守的[139];周俭民团队发现Gα蛋白家族成员基因OsXLG1是水稻抵抗Xoo感染所必需的,为未来水稻抗性改良提供了启示[140];朱炎团队发现CHR19是一个新的调节因子,在染色质水平上影响植物对不同病原体的抗性基因的转录[141];刘文德团队研究发现核糖核酸酶P蛋白亚基OsRpp30在水稻先天免疫中的作用[142];周雪平团队在本氏烟草和水稻中鉴定出一种与微管蛋白相关的 C4HC3型E3连接酶(MEL),其能够整合和启动一系列宿主免疫信号传导,赋予植物对病毒、病原真菌和细菌的广谱抗性[143];董汉松团队发现,小麦水通道蛋白可以赋予其对小麦病原菌的先天免疫力;水稻水通道蛋白OsPIP2;2将病原体诱导的质外体H2O2转运到细胞质中,可以加强水稻对各种病原体的抵抗力,OsPIP2;2还触发膜锚定转录因子OsmaMYB转位到植物细胞核中,以传递flg22诱导的防御反应,对抗病原体感染[144-145];姚银安团队研究发现SlWRKY8在番茄中的过表达增强了番茄对Pst的抗性[146]。

近期研究揭示了一系列植物气孔免疫相关的作用新机制。致病微生物可以利用气孔作为入侵通道,植物在识别这种侵染后会关闭气孔以应对病原菌的入侵。侯书国团队发现多肽SCREWs和同源受体激酶NUT可以反向调节植物激素脱落酸和微生物相关分子模式引起的气孔关闭,SCREW-NUT信号促进了叶绿体失水,破坏微生物的水生栖息环境,从而限制病原体的定殖[147]。

在模式触发免疫(PTI)调控新机制方面,PTI为植物抵抗病原菌入侵的第一道防线,质膜上的模式识别受体(pattern recognition receptors,PRRs)识别病原体/微生物相关分子模式(PAMPs/MAMPs)或宿主衍生的损伤相关分子模式(damage-associated molecular patterns,DAMPs),启动积极的防御反应。于峰团队发现低磷应答转录因子PHR1直接与快速碱化因子(RALF)基因的启动子结合,并在磷酸盐饥饿条件下激活其表达,RALFs反过来通过类受体激酶FERONIA抑制PAMP触发的免疫受体复合体的形成[148];李博团队研究发现类受体激酶NIK1负调控植物的抗细菌免疫,当植物识别到细菌的flg22后,NIK1和免疫受体复合体FLS2/BAK1之间的相互作用增强,该发现揭示了一种类受体激酶调控PTI的新机制[149]。胞质受体类激酶BIK1是与多个重要PRRs蛋白相关的免疫调节因子,但目前对PRRs-BIK1-BAK1-MAMPs超级复合体的动态调控机制并不清楚。周俭民团队发现E3连接酶PUB25/PUB26能介导非激活状态BIK1的降解,钙依赖蛋白激酶CPK28通过增强上述过程而负调控植物免疫反应[150];SHOU4和SHOU4L在各种模式诱导下迅速磷酸化,是植物抵抗细菌和真菌侵染的基础,最新研究表明蛋白激酶BIK1与SHOU4/SHOU4L互作使SHOU4L磷酸化并抑制SHOU4L与纤维素合成酶CESA1的互作,磷酸死亡(phospho-dead)和模拟磷酸化(phospho-mimic)的SHOU4L突变体都不能弥补SHOU4L可逆性磷酸化功能丧失突变体对病原菌的抗性和发育缺陷,表明SHOU4L的可逆性磷酸化对植物免疫和发育都至关重要[151]。研究表明,BIK1可以通过磷酸化植物特异性Gα蛋白XLG2积极地调节免疫。周俭民团队研究表明,这种磷酸化促进XLG2的核转位,这对抗菌免疫是必不可少的,除此之外,XLG2与核定位的MUT9样激酶(MLKs)相互作用,以激酶活性依赖的方式负向调控植物免疫力,而XLG2可能通过抑制MLK激酶活性来促进防御基因的表达和抗菌免疫力[152];吕东平团队发现泛素连接酶ATL31/ATL6通过介导CPK28的降解促进BIK1的稳定性[153];何平团队发现拟南芥受体激酶MIK2可以识别来自十字花科Brassicaceae植物富含丝氨酸的内源性肽(SCOOPs)和丛毛单胞菌科Comamonadaceae细菌中存在的蛋白质的保守基序,并引发各种免疫反应,SCOOPs以依赖MIK2的方式触发免疫反应和改变根系发育[154];张跃林团队发现TIR信号的激活在PTI中起着关键作用[155];柴继杰团队发现TIR蛋白形成不同的多蛋白结构来分解NAD+或RNA/DNA,并发现TIR结构域触发了所谓的非经典2′,3′-cAMP/cGMP的产生,在植物细胞内维持一定浓度以应对侵染时引起的细胞死亡[156]。植物免疫反应中TNL抗病基因编码产物作为NAD+水解酶产生的信号分子及其调节的下游抗病信号通路并不清楚。柴继杰团队联合常俊标团队发现TNL-EDS1-PAD4-ADR1免疫通路中的pRib-ADP/AMP和TNL-EDS1-SAG101-NRG1免疫通路中的ADPr-ATP或diADPR作为抗病信号小分子调控了植物免疫反应[157-158]。

在效应子触发免疫(ETI)相关的免疫调控机制方面,一些病原体可以通过向植物细胞分泌效应蛋白来抑制PTI,为了对抗病原体效应蛋白的活力,植物进化出第二个免疫受体亚家族:细胞内NLRs,特异性识别效应蛋白,诱导植物的ETI。王官锋团队发现膜重塑复合体ESCRT的重要组分ZmVPS23和ZmVPS23L通过与自激活NLR蛋白Rp1-D21互作,改变Rp1-D21在玉米和烟草中的细胞定位,抑制了由Rp1-D21介导的HR,揭示了ESCRT成分在控制植物NLR介导的防御反应中的作用[159]。新近一系列复合体晶体结构的解析阐明了植物抗病小体的形态和作用机理。柴继杰团队、王宏伟团队和周俭民团队联合研究发现,ZAR1-RKS1-PBL2UMP形成一个风轮状的五倍体(ZAR1抗病小体),首次证实了植物抗病小体的存在,并揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子机制[160-161]。ZAR1抗病小体是一个阳离子选择性、钙渗透性的离子通道,通道活性是在细胞死亡前触发ROS所必需的[162]。这些结果共同支持了由ZAR1通道引发的钙离子信号启动免疫激活的结论,为进一步揭示植物免疫的分子机制作出了重要贡献。此外,柴继杰团队和陈宇航团队合作研究发现小麦CNL类抗病蛋白Sr35与效应蛋白AvrSr35直接形成五聚化抗病小体“Sr35抗病小体”,这种抗病小体在植物细胞膜上充当通道,启动了强大的免疫反应,最终导致感染部位的植物细胞自杀以保护植物的其他部分[163]。MAPKs是PTI和ETI的关键信号调节因子,王一鸣团队发现MPK3/MPK6对flg22介导的ETI抑制是必需的[164]。已知CDC123是ETI相关翻译和防御的一个关键激活因子,胥国勇团队与董欣年团队共同发现eIF2γ可与CDC123互作,是ETI的正向调节因子[165]。

PTI和ETI是植物防御体系的两道屏障,其关联性一直不清楚。何祖华团队研究发现脱泛素酶PICI1是水稻中PTI和ETI的免疫枢纽[166]。辛秀芳团队证明ETI能够显著上调NADPH氧化酶RBOHD的mRNA及蛋白水平,但该蛋白的磷酸化修饰和完全激活依赖于PTI信号,ETI和PTI通过精密的分工合作来实现对RBOHD的调控和活性氧的大量产生以保障植物被病原菌侵染时快速准确地作出免疫响应;此外, ETI还会强烈上调PTI通路的重要信号组分(如BAK1、BIK1和RBOHD等)的转录和蛋白水平,使得PTI信号通路整体上调,从而诱导起更持久的免疫输出[167]。

1.3.3主要农作物细菌病害监测预警及绿色防控关键核心技术研发与应用

1.3.3.1植物细菌病害监测预警技术

在环介导等温扩增(loop-mediated isothermal amplification,LAMP)及其相关技术在植物细菌病害监测方面的应用中,李华伟团队利用LAMP开发了一种针对甘薯薯瘟致病菌R.solanacearum的特异性检测方法[168];刘吉平团队以R.solanacearum果胶裂解酶基因为靶标,首次融合了新型核酸扩增技术等温多自配引发扩增(isothermal multiple self-matching-initiated amplification,IMSA)的引物设计策略和LAMP扩增反应的技术体系成功建立了一种快速高效的青枯雷尔氏菌IMSA-LAMP检测技术[169];李宝聚团队基于LAMP技术利用由胡萝卜果胶杆菌P.carotovorum的pmrA保守序列设计的引物组,开发了一种芹菜软腐病菌快速检测方法[170];杨立桃团队开发了一种前间隔序列邻近基序(protospacer adjacent motifs,PAMs)环介导等温扩增结合CRISPR/FnCas12a(Cas-PfLAMP)快速检测水稻病原细菌的方法,若将Cas-PfLAMP分析与固相核酸提取和便携式横向流动试纸条(lateral flow dipstick,LFD)相结合,可建立一个可视化的现场检测系统,从而形成了一个用于高效检测水稻病原体的系统[171]。

在细菌病害的分子检测与人工智能识别相关研究方面,宋震团队建立了柑橘溃疡病菌Xanthomonascampestrispv.citri重组酶聚合酶扩增(recombinase polymerase amplification,RPA)检测方法,对柑橘溃疡病的检验检疫和繁殖无病苗木具有现实意义[172];黄丽韶研发了柑橘溃疡病图像识别智能检测系统,实现了计算机自动识别病害[173];古绍彬团队将三维荧光光谱与二阶校正算法结合实现了对丁香假单胞菌黄瓜致病变种P.syringaepv.lachrymansPSL-8的快速定性定量分析[174];杨广福团队以硝基还原酶类(NTR)作为生物标志物开发了一种小分子荧光传感器,实现了对感染细菌的甘蓝型油菜的实时诊断[175]。

1.3.3.2绿色防控关键核心技术研发与应用

在水稻细菌病害的绿色防控技术研发方面,陈功友团队从水稻稻桩上分离的摩氏假单胞菌P.mosselii923菌株能够产生一种新型的小分子化合物咪唑三嗪(pseudoiodinine),对水稻白叶枯病和条斑病均有较好防效,有望发展为绿色农药。同时,该研究还发现咪唑三嗪对多种植物病原黄单胞菌均具有抑制作用,其中包括柑橘溃疡病菌X.citrisubsp.citri、大豆斑疹病菌X.axonopodispv.glycines、棉花角斑病菌X.campestrispv.malvacearum、麦类黄单胞菌X.translucenspv.cerealis、辣椒斑点病菌X.campestrispv.vesicatoria等。其对白叶枯病菌和条斑病菌的抑菌活性最强,温室和田间防控试验显示,923菌株和咪唑三嗪在病害预防和治疗方面,均能对白叶枯病和条斑病进行有效防控,防病效果达70%以上[176]。此外,陈功友团队根据稻黄单胞菌tal基因型与水稻抗、感病基因型的对应关系,总结整理了我国水稻白叶枯病和条斑病的防控应遵循的3种防控模式[177]。

土壤细菌产生的挥发性有机化合物(volatile organic compounds,VOCs)由于其强大的抗菌活性,已被证明具有植物病原菌的生物防治潜力。沈其荣团队发现青枯雷尔氏菌在生防细菌解淀粉芽胞杆菌BacillusamyloliquefaciensT-5产生的VOCs高强度胁迫下,通过适应性突变增强了青枯雷尔氏菌对VOCs和多种抗生素的适应性,同时减弱了病原菌的致病力,从适应性进化的角度解析了根际有益菌VOCs调控病原菌生存-致病权衡机制,为有益菌VOCs的开发与利用提供了理论依据[178]。该团队通过宏基因组学研究发现噬菌体群落在健康和患病番茄根际的组成和多样性上均有显著差异,健康植株根际存在更高丰度的青枯雷尔氏菌专性噬菌体(即初级噬菌体primary phages),而病原菌拮抗细菌专性噬菌体(即次级噬菌体secondary phages)在患病番茄根际更为丰富,噬菌体通过抑制病原菌及病原菌拮抗细菌来调控土壤青枯雷尔氏菌的消减,为利用噬菌体消减土壤青枯雷尔氏菌提供了新的理论基础[179]。

此外,丁伟团队对植物次生代谢物香豆素类化合物在青枯雷尔氏菌与植物互作中的功能进行了系列研究。首先,明确了瑞香素(daphnetin,DA)靶向青枯雷尔氏菌脂多糖合成酶LpxB,进而对青枯雷尔氏菌表现出优异的抑菌效果,具有开发成一种青枯病新型控制剂的潜力[180];进一步研究发现瑞香素通过抑制胞外多糖合成途径,降低青枯雷尔氏菌的致病力[181];同时发现了6-甲基香豆素通过抑制青枯雷尔氏菌FtsZ蛋白表达,造成细菌二分裂过程受阻,抑制青枯雷尔氏菌生长[182];该团队将生物聚合物羧甲基壳聚糖(carboxymethyl chitosan,CMCS)偶联瑞香素成功制备了绿色环保的植物免疫诱抗剂,可以更好地提高烟草抵御青枯病的能力,试验表明,接种后第8 天的盆栽防效达74%以上[183]。阮丽芳团队发现在抗青枯病番茄亲本及其抗病后代的根际微生物组十分相似且在功能上具有一致性,在抗病亲本及其抗病后代的根际土壤中富集了两种根际细菌,分别是鞘氨醇单胞菌Sphingomonassp. Cra20和恶臭假单胞菌P.putidaKT2440,Cra20和KT2440能够为易感青枯病的番茄品种提供多方面的保护,包括减少青枯雷尔氏菌毒力相关基因的表达以及重塑感病番茄品种的转录组[184]。

丁香假单胞菌P.syringae是一类革兰氏阴性植物病原菌,能感染多种农作物(例如:猕猴桃、玉米、烟草、番茄和豆科作物等),其导致的病害分布广泛,被普遍认为是世界上最主要的植物细菌病原体之一,给世界农业经济造成了巨大的损失。邓新团队在研究丁香假单胞菌和植物间的互作中发现了“植物多酚-RhpRS-T3SS”信号途径,揭示了多酚化合物抑制T3SS,进而降低致病性的分子机制,阐明了多酚类物质对于帮助植物抵御丁香假单胞菌侵袭的重要性,有望开发成丁香假单胞菌抑制剂[98]。黄丽丽团队提出“两前两后”的猕猴桃溃疡病绿色防控关键技术,即“开花前开花后”喷雾防治花腐病、叶斑病,“采果后至落叶前”药液喷淋主干、大枝防控溃疡病[185]。

柑橘黄龙病是全球柑橘生产的头号杀手,被称为柑橘“癌症”,尚无药可治。该病是由韧皮部杆菌侵染引起的细菌病害,其中韧皮部杆菌亚洲种CandidatusLiberibacter asiaticus致病力强,分布广,也是我国黄龙病发生和传播的主要病原。金海翎团队从耐黄龙病品种澳大利亚指橙Microcitrusaustraliasica中发现了一种热稳定性很强的抗菌肽MaSAMP,它不仅可以有效降低黄龙病阳性柑橘树的病原菌滴度并抑制植株症状,还能够诱导柑橘树的系统免疫反应,保护健康的柑橘树免受感染;在叶面喷施后,MaSAMP在柑橘植株内至少可稳定存在7 d,能通过维管系统到达病原菌定殖的韧皮部,并富集于病原细菌的外膜,导致胞液泄漏和细胞裂解;在构成MaSAMP二级结构的2个α螺旋中(alpha-helix1和alpha-helix2),alpha-helix2提供主要的抑菌活性[186]。

在植物病原细菌生物防控方面,研究者揭示了多种有益拮抗微生物的生防新机制,创建了生防菌高效筛选体系。刘凤权团队联合钱国良团队揭示了第二信使环鸟苷二磷酸c-di-GMP参与调控产酶溶杆菌LysobacterenzymogenesOH11热稳定抗菌因子HSAF合成的分子机制[187-188]。病原细菌的Ⅳ型分泌系统(T4SS)最近才被证明是一种接触依赖性(contact-dependent)的细菌间杀伤系统,钱国良团队发现产酶溶杆菌利用T4SS作为主要接触依赖性武器对抗其他土传细菌,T4SS介导的产酶溶杆菌的杀伤行为降低了2种假单胞菌Pseudomonasspp.抗细菌和抗真菌活性的同时,也降低了胡萝卜果胶杆菌P.carotovorumPccS1的活性以保护胡萝卜免受PccS1的侵染[189]。该团队近期又发现T4SS效应蛋白LqqE1(Lysobacterquorum-quenching effector 1)在青枯雷尔氏菌中的表达会阻断群体感应效应分子AHL的合成,显著降低病原细菌的致病性,展示了LqqE1在植病生防上的应用潜力[190]。此外,钱国良团队还发现接触依赖的T4SS杀伤系统是限制不同植物根际促生菌(plant growth promoting rhizobacteria,PGPR)群兼容性的关键,敲除T4SS的根际促生菌突变株变得更兼容且表现出抗细菌和抗真菌活性[191]。钱国良团队联合钟彩虹团队创建了基于植物病原菌富集原理的生防靶向分离技术体系,分离到可有效抑制溃疡病菌的沙福芽胞杆菌B.safensis,基于该菌株开发了低毒高效的“中科生防药剂”,在湖北及陕西多地的田间试验中防效良好[192]。

1.4 农作物病毒病害

1.4.1主要农作物病原病毒的致病性

病毒在感染寄主并增殖的过程中,沉默抑制子通过抑制寄主的抗病毒RNAi免疫通路发挥重要作用。周雪平团队和Rosa Lozano-Duran团队合作鉴定出多个双生病毒基因组编码的具备特殊亚细胞定位的小蛋白,并且首次发现了一个新型的定位在高尔基体中的RNA沉默抑制子能够强烈地抑制寄主的抗病毒RNAi[193];刘玉乐团队发现损伤诱导的钙信号通路能够起始和稳定寄主的抗病毒RNAi途径,而病毒编码的沉默抑制子可以通过与钙调蛋白结合的转录激活子互作干扰钙信号通路进而抑制抗病毒RNAi[194]。

激素对于植物的生长发育十分重要,植物病毒编码的蛋白往往通过劫持或者增强某种激素信号来加强致病性。陶小荣团队发现植物NLR受体Tsw与多种植物激素受体具有相似的功能结构域,番茄斑萎病毒(tomato spotted wilt virus,TSWV)编码的NSs通过与转录抑制子TCP21互作加强TCP21与NLR和多种激素受体之间的相互作用,从而抑制激素介导的抗病毒免疫,达到增强病毒致病力的作用[195];Rosa Lozano-Duran团队报道了植物病毒编码的一种能够从感病寄主的质膜转移到叶绿体中的蛋白,该蛋白通过抑制叶绿体中SA信号通路来增强病毒的致病性[196];陈剑平团队发现多种不同类型的植物RNA病毒均编码一类转录抑制子,该抑制子通过与JA信号转导途径的重要蛋白组分互作抑制JA信号通路从而促进病毒侵染[197];他们还发现水稻条纹病毒(rice stripe virus,RSV)的P2蛋白和其他单子叶植物病毒蛋白通过促进SA受体NPR1的降解来阻断SA-JA信号通路的协作抗病性而达到增强致病力的目的[198];此外,该团队揭示了不同病毒编码的蛋白能够靶向赤霉素 (gibberellins,GAs) 信号通路中的DELLA蛋白,促进DELLA的降解而增强病毒的致病性[199];该团队前期还报道了水稻病毒通过不同策略共同靶向生长素应答因子OsARF17增强致病性的分子机制[200]。

病毒在细胞内的增殖需要寄主提供合适的胞内环境和原材料,病毒编码的蛋白常常会利用寄主植物的关键基因创造利于增殖的胞内微环境。李大伟团队发现,大麦条纹花叶病毒(barley stripe mosaic virus,BSMV)γb蛋白通过干扰叶绿体抗氧化防御反应来促进病毒复制[201],γb蛋白的棕榈酰化在病毒的运动和复制之间起着开关的作用[202];王献兵团队发现植物病毒蛋白通过劫持寄主植物中负责RNA衰减的蛋白因子CCR4增强自身基因组的复制能力[203];张永亮团队揭示植物网状样蛋白作用于病毒复制膜结构的形成而促进病毒复制[204]。

核酸和蛋白的修饰在基因表达调控方面起着重要的作用,如RNA的m6A修饰、DNA的甲基化修饰、蛋白的磷酸化和泛素化等修饰都会影响基因表达和蛋白功能。周雪平团队与戚益军团队合作发现,双生病毒利用植物DNA主动去甲基化机制来逃逸植物防御反应[205];郭惠珊团队发现,双生病毒通过泛素化降解DNA甲基转移酶激活病毒基因的早期转录[206];陈剑平团队联合陈锋团队发现了一个m6A甲基转移酶TaMTB可以调控小麦黄花叶病毒(wheat yellow mosaic virus,WYMV)RNA1上的m6A甲基化水平以提高病毒基因组的稳定性,从而促进病毒侵染[207]。

在植物病毒致病性的其他研究方面,刘玉乐团队发现第一个可以激活自噬的植物病毒蛋白βC1,并揭示了其激活细胞自噬的机制[208];该团队和李大伟团队合作揭示了病毒蛋白通过干扰寄主植物液泡酸碱度来促进病毒侵染的分子机制[209];王道文团队和美国马里兰大学赵玉琪团队合作报道了大麦黄矮病毒(barley yellow dwarf virus,BYDV)编码的关键致病因子17K通过抑制寄主细胞周期进程造成寄主植物矮化的分子机制[210];王献兵团队发现黄瓜花叶病毒(cucumber mosaic virus,CMV)诱导寄主编码的小肽通过促进自噬相关蛋白对RNAi组分SGS3/RDR6蛋白小体的降解增强病毒的致病性[211]。我国科学家在该领域取得的重要的研究进展加深了我们对植物病毒致病分子机制的理解,为我国防治植物病害发生,保障植物生物安全提供了理论基础。

1.4.2主要农作物对病毒病的抗病性

植物对病毒的抗病机理解析和挖掘寄主植物中的抗病基因一直是植物病毒与寄主互作研究的热点和难点。李毅团队阐明植物激素JA信号通路与RNA沉默信号通路协同调控水稻抗病毒免疫机制[212];陈剑平团队发现JA与油菜素甾醇信号途径互作激活了水稻抗病毒防卫反应[213];周雪平团队发现了SUMO修饰的Pelota蛋白干扰了其与Hbs1互作,抑制了病毒RNA的降解,而Pelota-Hbs1蛋白复合体能够阻碍病毒的感染[214];此外,他们还报道了一种保守的免疫调控模块,并解析了其介导作物广谱抗病毒的分子机制[215];赵忠团队研究发现干细胞关键调节基因WUS通过抑制病毒蛋白质合成,限制病毒复制和传播,在植物广谱病毒抗性和分生组织间建立了分子联系[216];王献兵团队发现了选择性自噬受体VISP1通过靶向病毒沉默抑制子增强植物抗病毒能力[217];王道文团队与沈前华团队合作解析了植物蛋白激酶通过磷酸化大麦黄矮病毒的沉默抑制子来增强寄主抗病毒能力的分子机制[218];陶小荣团队揭示了感染番茄斑萎病毒后,寄主的NLR抗病基因Sw-5b通过CC结构域干扰MED10b和MED7的互作,进而解除MED10b-MED7-JAZ蛋白对JA信号通路的抑制活性,增强寄主抗病毒能力[219]。

在抗病毒基因挖掘方面,吴建国团队和李毅团队、钱前团队以及美国加州大学丁守伟团队合作对528份水稻种质进行了连续6年田间抗病毒鉴定,明确了7个与水稻抗病毒高度相关的数量性状核苷酸(quantitative trait nucleotides,QTNs)位点[220];周彤团队联合刘斌团队对来自59个国家500多份水稻种质进行抗病鉴定,通过全基因组关联分析克隆了水稻黑条矮缩病毒(rice black-streaked dwarf virus,RBSDV)的抗性基因天冬氨酸蛋白酶基因OsAP47[221];刘志勇团队和张永亮团队合作首次在单子叶植物中克隆出一个抗大麦条纹花叶病毒的典型的CC-NB-LRR类型的抗病基因BSR1[222]。抗病基因的挖掘利用和功能研究为有效增强植物抗病毒能力提供了基因资源和理论指导。

1.4.3介体昆虫传播病毒的机制

大多数植物病毒的传播需要借助于介体昆虫,对于病毒利用介体昆虫传播机制的解析有利于制定有效的防治策略来阻断病毒病害的暴发流行。近年来,我国科学家在介体传毒方面取得了重要进展,崔峰团队发现importin α2可有效介导水稻条纹病毒进入介体灰飞虱Laodelphaxstriatellus的唾液腺,进而利于病毒传播[223];王锡锋团队发现糖转运蛋白6是该病毒成功侵入介体灰飞虱中肠的关键因子,沉默糖转运蛋白6的表达可抑制病毒进入中肠细胞[224];魏太云团队首次发现介体昆虫可通过精子携带水稻病毒并垂直传播给后代[225];王晓伟团队首次报道了一种双生病毒能够在介体烟粉虱Bemisiatabaci的唾液腺内复制[226]。

在病毒操控介体昆虫自噬信号途径的研究方面,吴建祥和周雪平团队合作发现水稻黑条矮缩病毒在侵染早期通过激活介体灰飞虱自噬通路抑制病毒的侵染和复制,并解析了激活自噬的机制[227];徐秋芳团队则发现了该病毒通过上调3,5-二磷酸肌醇抑制自噬体和溶酶体的融合而逃避自噬降解[228];王锡锋团队阐明了南方水稻黑条矮缩病毒(southern rice black-streaked dwarf virus,SRBSDV)利用介体自噬体膜进行增殖以及阻断自噬体和溶酶体融合的机制[229];魏太云团队发现水稻瘤矮病毒(rice gall dwarf virus,RGDV)对介体自噬体进行修饰而避免与溶酶体融合的机制[230];该团队还先后发现了两种水稻呼肠孤病毒都可激活介体昆虫内线粒体自噬并防止线粒体依赖性细胞凋亡[231-232];戈峰团队和孙玉诚团队合作发现双生病毒激活自噬与凋亡后,通过二者相互拮抗形成中度免疫平衡,提高烟粉虱对病毒的免疫耐受[233]。

在病毒操控介体昆虫取食行为的研究方面,叶健团队揭示双生病毒通过影响植物与介体及非介体昆虫互作而改变昆虫群落结构组成[234];王献兵团队研究发现大麦黄条点花叶病毒(barley yellow striate mosaic virus,BYSMV)操纵植物JA通路吸引介体昆虫并促进传毒[235];周国辉团队揭示南方水稻黑条矮缩病毒通过调节水稻乙烯信号以协调病毒感染和介体传播[236]。对于介体昆虫传毒机制的研究能够有效地指导我们制定合理的切断病毒传播流行的防治策略,从而有效控制病毒病的暴发和流行。

1.4.4主要农作物病毒病监测预警及绿色防控关键核心技术研发与应用

在植物病毒生物技术应用方面,李正和团队利用一种植物负链RNA弹状病毒载体向植物体内递送CRISPR/Cas9核酸内切酶实现植物高效基因编辑,随后又研发了基于广谱寄主范围的番茄斑萎病毒的瞬时递送系统[237-238];王彦鹏团队和张永亮团队合作开发了高效的RNA病毒载体递送系统,成功地在麦类作物上绕过组培实现了基因组编辑[239]。这些研究为作物DNA-free基因组编辑提供了新思路,也为病毒载体的生物技术利用开拓了新方向。

在植物病毒检测的产品开发和应用方面,周雪平团队制备了50多种植物病毒单克隆抗体,并研发了病毒快速检测试剂盒,目前已广泛应用于病毒病的早期诊断,对介体昆虫带毒检测灵敏度达到1∶1 600。依据带毒率和数量构建病害中长期预测模型,可有效预测病毒病发生动态,实现病害早期预警和实时预报。

在植物病毒绿色防控技术开发应用方面,陈剑平团队围绕我国小麦土传病毒病,建立了精准诊断和监测技术,集成基于“病害早期精确监测、抗性品种精准布局、辅以微生物药剂拌种、适当晚播、春季施用微生物药剂和分级防控”的土传病毒病害绿色防控技术体系,累计推广应用770余万hm2。

1.5 植物线虫病害

1.5.1主要农作物病原线虫的致病性

1.5.1.1新入侵线虫的种类和扩散成灾机制

近年来,在我国新疆和云贵川地区首次发现了重大检疫性有害生物——甜菜孢囊线虫Heteroderaschachtii和马铃薯金线虫Globoderarostochiensis入侵,并对我国禾谷孢囊线虫Heteroderaavenae的起源和种群扩散机制进行了解析。在外来入侵线虫新种类鉴定方面,彭德良团队在新疆维吾尔自治区新源县首次发现了重大检疫线虫甜菜孢囊线虫危害[240];在云南、贵州和四川3省7县市首次发现了重大检疫性有害生物马铃薯金线虫[241];针对两种外来入侵线虫,研发出PCR、RPA-CRISPR等一系列早期快速诊断技术,明确了其在我国的发生分布和生物学特征[242-243]。彭德良团队与李红梅团队联合解析了我国禾谷孢囊线虫的起源、传播途径及种群特征,发现我国的禾谷孢囊线虫群体可能起源于西北地区的高山草地,明确了禾谷孢囊线虫种群之间的遗传距离与地理位置成明显的正相关,推测黄河屡次泛滥及农机具跨区作业是孢囊线虫远距离传播的重要途径,揭示了我国小麦孢囊线虫的快速扩散机制[244-245]。

1.5.1.2植物线虫致病分子机制

植物线虫口针分泌的效应蛋白,在线虫侵染、取食位点建立和维持以及对抗寄主防卫反应的过程中发挥着关键作用。在植物线虫效应蛋白致病机制方面,彭德良团队鉴定出了一个甜菜孢囊线虫效应蛋白HsSNARE1,该蛋白同时与拟南芥AtSNAP2和AtPR1互作促进线虫的侵染,其中HsSNARE1第141、143及148位的氨基酸残基是与AtPR1互作的关键位点,对上述3个关键氨基酸残基对应的核苷酸序列进行替换构建HsSNARE1的突变体HsSNARE1-M1,异源表达该突变体的拟南芥对甜菜孢囊线虫的敏感性显著降低[246];陈建松与康奈尔大学Wang Xiaohong 团队合作从大豆孢囊线虫H.glycines中发现一个含有自噬相关蛋白ATG8结合基序AIM(ATG8-interacting motif,AIM)的效应蛋白NMAS1,其通过靶向寄主自噬核心蛋白ATG8来抑制植物的先天免疫促进线虫寄生[247];彭德良团队和于峰团队联合研究发现,植物根结线虫编码的一类与植物RALF(rapid alkalinization factor,RALF)类似的多肽(RALF-like),“挟持”植物受体激酶FERONIA,促进JA信号关键因子MYC2降解等过程,从而破坏植物免疫系统,促进其寄生[248];卓侃团队首次发现象耳豆根结线虫MeloidogyneenterolobiiMeTCTP效应蛋白可形成同源二聚体,并以二聚体形式直接靶向植物细胞内游离的钙离子,干扰植物防卫信号从而促进根结线虫的寄生[249];该团队还首次发现了拟禾本科根结线虫M.graminicola效应子MgMO289与寄主铜金属伴侣OsHPP04结合,促进铜离子的转运,该结合体利用水稻超氧阴离子降解系统清除活性氧,从而抑制植物免疫反应,促进侵染[250];谢丙炎团队发现南方根结线虫M.incognita分泌的凝集素类效应蛋白MiCTL1a通过抑制寄主过氧化氢酶的活性调控细胞内活性氧稳态,从而帮助线虫寄生[251];简恒团队揭示了南方根结线虫通过分泌效应蛋白MiPDI1调控寄主番茄SAP12介导的氧化还原信号传导和防御反应,从而帮助线虫寄生[252]。

1.5.2主要农作物对线虫病害的抗病性

植物对线虫的抗性机制解析及植物的抗线虫基因挖掘一直是植物寄生线虫与寄主互作的研究热点与难点。近几年,我国科学家在植物抗线虫机制解析方面取得了重要进展,并克隆到了多个植物抗线虫基因。于懋群团队研究发现,易变山羊草Triticumperegrinumvar.variabile苯丙氨酸代谢和色氨酸代谢途径中关键酶基因AevPAL1和AevTDC1能相互协调改变SA的含量和下游次生代谢物,对禾谷孢囊线虫抗性起正调控作用[253];李洪杰团队从小麦品种‘Madsen’7DL和2AS染色体上分别发现Cre9和Cre5两个抗性基因位点,明确了携带Cre9的小麦家系抗菲利普孢囊线虫H.filipjevi,但不抗禾谷孢囊线虫;携带Cre5的小麦家系抗禾谷孢囊线虫,但不抗菲利普孢囊线虫[254];郭晓黎团队对大豆孢囊线虫抗性主效位点 Rhg1上α-SNAP的互作蛋白进行分离鉴定,发现α-SNAP通过与NSF连接蛋白受体GmSYP31A以及电压依赖型阴离子通道蛋白GmVDAC1D互作,影响蛋白分泌和线粒体介导的细胞死亡,进而调控寄主对大豆孢囊线虫的抗性[255];谢丙炎团队鉴定出抗性刺角瓜Cucumismetuliferus‘CM3’根系特有挥发性物质,明确了甲氧基甲基苯对南方根结线虫有明显的驱避作用,而随着甲酚和顺-2-戊烯-1-醇浓度的提高,杀线虫能力增强[256];王绍辉团队发现番茄转录因子SlWRKY45能结合茉莉素合成基因SlAOC并抑制其表达,进而调控茉莉素合成途径,提高番茄对南方根结线虫的抗性[257];郭晓黎团队借助BSA、图位克隆以及基因编辑等手段从抗性水稻中成功克隆出抗拟禾本科根结线虫M.graminicola基因MG1,该基因位于第11号染色体长臂末端的复杂R基因簇中,编码CC-NB-LRR蛋白,将该基因导入敏感品种可以显著增强线虫抗性,LRR结构域及潜在的棕榈酰化修饰位点在激活线虫抗性中起着关键作用,此外,水稻蛋白酶抑制剂MGBP1与MG1直接互作,增强MG1蛋白的稳定性,促进抗性[258];谢丙炎团队采用纳米孔和Hi-C测序构建了野生番茄‘LA2157’的染色体级基因组,基于抗根结线虫Mi-9的分子标记和比较基因组分析,筛选出7个候选的NBS-LRR基因;通过病毒诱导的基因沉默和异源表达分析,首次明确了Sarc_034200 为热稳定的番茄抗根结线虫位点Mi-9的主效基因[259]。上述抗病基因的克隆及抗线虫位点的定位将为抗线虫品种培育提供优良的基因资源。

1.5.3主要农作物线虫病害监测预警及绿色防控关键核心技术研发与应用

为了最大程度减轻植物线虫造成的危害和损失,实施监测预警及研发绿色防控关键核心技术必不可少。目前,我国在抗孢囊线虫种质资源培育、生物防治、纳米杀线虫剂开发和外来入侵线虫应急防控技术方面取得较大突破。

在抗性种质资源培育方面,彭德良团队应用寄主诱导基因沉默(host-induced gene silencing,HIGS)技术,研发出靶向大豆孢囊线虫几丁质合成酶基因(SCN-CHS)的转基因大豆遗传材料新种质,该种质材料高抗大豆孢囊线虫多个生理小种,并表现出持久抗性[260];该团队还与黑龙江省农业科学院大豆研究所合作选育了一个高抗大豆孢囊线虫、高产、高油的大豆新品种‘黑农531’(黑审豆20210004)[261]。

在生物防治方面,肖炎农团队从淡紫紫孢菌Purpureocilliumlilacinum中鉴定到一个具有杀线虫活性和抵抗逆境的关键蛋白PlCYP5,并研制出了淡紫紫孢菌的颗粒制剂[262];孙明团队在苏云金芽胞杆菌B.thuringiensisCry6A蛋白对线虫毒理学新机制领域取得重要进展,解析了一种具有线虫毒杀作用的ClyA-type的Bt穿孔蛋白Cry6Aa的结构,并且发现RBT-1是Cry6A的重要肠道靶标功能受体[263];徐秉良团队从长枝木霉TrichodermalongibrachiatumT6菌株中克隆出内切几丁质酶基因T6-Echi18-5,明确了其在调控长枝木霉T6菌株降解禾谷孢囊线虫的卵壳和抑制线虫孵化过程中发挥着关键作用[264]。

在杀线剂创制方面,彭德良团队与沈杰团队合作,构建了纳米级阳离子星状聚合物(SPc)与化学杀线虫剂氟吡菌酰胺的稳定复合体,粒径大幅度减小至纳米级,纳米复合体通过增强线虫ROS迸发,抑制ATP合成和琥珀酸脱氢酶SDH活性,从而加速线虫死亡,田间防效表明SPc-氟吡菌酰胺复合体对象耳豆根结线虫的防效提升31%～35%,农药使用量下降了50%[265]。

在甜菜孢囊线虫综合治理方面,中国农业科学院植物保护研究所联合新疆农业科学院等多家单位,建立了甜菜品种抗孢囊线虫鉴定技术规程,筛选出‘beta796’等5个抗病品种,噻唑膦等高效应急防控药剂3种,研发了非寄主轮作等农业防控技术,研制出了集抗病品种-化学防控-轮作为一体的综合防控技术,在甜菜孢囊线虫发生区域大面积推广应用,防效达80%以上,发病面积缩减了90%。

2 研究展望

2.1 发展水平

过去5年,我国植物病理学学科取得了显著的科研成绩,集中体现在发表高水平论文的数量逐步提高,多家单位的研究成果在Nature、Science、Cell 顶尖综合期刊上发表。与国外发达国家同行相比,我国多数植物病害的研究水平与世界同步,部分研究领域如卵菌致病机制、稻瘟病抗性机理、小麦条锈病致病机理、病毒病害、棉花黄萎病致害机制等研究领先于世界水平,但原创性成果方面还存在差距。

在植物真菌病害方面,水稻和小麦真菌病害研究取得了显著成绩,研究成果达到世界一流水平,部分领先国际同行,如水稻抗性基因挖掘与鉴定、免疫机制研究,小麦抗赤霉病基因定位与克隆(Fhb1和Fhb7)等;小麦锈病致害机制研究也进入了快速发展阶段,在小麦条锈菌流行学、致病机制及其与寄主互作方面优势明显。玉米病害研究水平相对薄弱,多数关于为害机制的重要成果为国外报道,与国际前沿存在一定差距。黄萎病致病机制和群体基因组学研究领域的研究水平已与国际并跑或部分领先。

植物卵菌病害研究方面优势明显,如南京农业大学为代表的国内科研单位在卵菌效应子鉴定及与寄主互作机制研究已形成了科研创新“高地”,过去5年先后在Science、Nature、Nature Communications、PNAS等权威期刊发表了系列高水平研究论文,处于国际领先水平。如大豆疫霉核心致病因子XEG1的受体蛋白RXEG1的蛋白构象解析工作,并发掘出了RXEG1广谱抗性的育种价值,形成了植物与微生物互作领域的经典范例,对改良植物的广谱抗病性具有重要意义。

在植物细菌病害研究方面,突出的优势仍然体现在以中国科学院遗传与发育生物学研究所为代表的假单胞菌相关研究,多数研究水平处于国际领先水平;黄单胞菌相关研究的优势单位在该领域取得了不错的成绩,相关研究基本达到国际一流水平;然而在瓜类细菌性果斑病、青枯病等的致病分子机理、毒力和代谢全局调控网络等研究领域尚存差距。

在植物病毒病害研究方面,包括基因功能解析、病毒致病性、病害症状形成及病毒运动机制、介体昆虫传播机制和病害防控等领域均取得了显著进展,在国际上处于领先水平;在病毒粒体结构与装配机制、病毒群体遗传多样性与进化等研究方面做到了与世界同步。在植物病毒致害机制方面取得了长足进步,尤其是在病毒、介体、寄主植物和病害流行环境等多因素互作方面已有高水平论文产出,部分研究成果已达到世界领先水平。

在植物线虫病害研究方面,植物线虫致病分子机制和遗传多样性等研究方面发展迅速,在根结线虫和孢囊线虫效应蛋白功能解析和致病机制等方面研究水平达到国际先进水平,生防产品研制和防控机制方面也取得突破性的进展,基本与世界水平相当。在产品研发方面,淡紫紫孢菌等生防菌剂获得产品登记,但高效的商品化制剂方面仍需进一步研发,在植物抗线虫基因定位、挖掘和利用方面也取得较大进展,与国际前沿差距进一步缩小。

2.2 发展趋势与对策建议

过去5年,我国植物病理学科快速发展并取得了系列原创性重大突破性理论与技术,为我国植物病理学科发展和植物保护工作奠定了坚实基础。然而,随着种植业结构调整、气候与生态环境变化以及国际贸易日趋便捷和频繁,农作物病害发生与危害规律发生了根本性演替,原生性有害生物频繁暴发,灾害持续不断,经济损失巨大。危险性外来有害生物入侵所造成的生物灾害问题不断凸现。部分次要病害因种植结构调整、气候变化等因素,已逐渐发展成为毁灭性灾害。因此,面临种植业结构调整、气候与生态环境变化等因素挑战,作物病原群体变异更加频繁、作物丧失抗性的周期缩短,对病害防治和作物丰产稳产提出更大的挑战。

在植物病理学基础理论研究方面,我们在“植物-病原物-传播媒介生物”多重互作机制、植物抗病信号识别与传导、根系微生物组、表观遗传修饰与先天免疫调控、病原群体遗传等方面逐步缩小了与国际一流水平的差距、甚至超过国际水平。然而,国际同行已在蛋白翻译重编程调控免疫反应新机制等一些新兴研究领域取得了更深入的研究进展。在监测预警与防控技术方面,针对“一因多效”抗病新基因资源发掘与利用、抗病新物质鉴定、新抗病生物技术开发与应用,以及包括监测预警技术、绿色植物保护产品创制,仍然是当前我国植物病理学科的短板和重大挑战。

面对这些挑战,植物病理学亟须跟踪国际前沿热点(如蛋白翻译重编程调控免疫反应新机制等),更多注重从0到1的原始科技创新工作。一是在生命科学进入后基因组学时代的背景下,全面融入生物信息学、蛋白质组学、表观遗传学、宏基因组学、人工智能等新兴学科和技术,突破系列病原与寄主互作重大基础理论,如效应子操控寄主免疫反应机制、信号传递因子如何识别PRR 与R 基因互作信号及调控免疫调控机制,受体复合体的结构分析,表观遗传修饰参与蛋白翻译重编程调控免疫反应新机制。二是依托我国作物种质资源优势,仍需持续加强“一因多效”抗性基因标记定位与克隆,不断创新开发和应用新生物技术(如基因编辑技术)在作物抗病育种、抗病新种质创制的利用并将先天免疫基础理论与抗病育种实际相结合,以提高抗病品种培育效率。三是需要持续鉴定作物抗病或病原物致病性调控的关键因子,进行抗性遗传改良或新产品创制,如植物感病基因、广谱植物受体蛋白用于抗病基因工程,免疫激发子用于开发蛋白农药,病原关键致病基因用于开发RNAi农药等,为作物病害绿色防控提供关键技术和产品。四是仍需加强抗病品种的选育,持续开展病原物群体毒性结构变异和主栽品种、重要抗源材料抗性变化及时监测,构建流行病害监测网络和病害流行分子监测体系,开展抗病品种选择布局与利用研究。