研究人员已经开发出一种方法，使水稻在不降低产量的情况下更能抵抗细菌性枯萎病和其他疾病。照片由最大像素。
研究人员已经成功地开发出一种新的方法，可以在不降低产量的情况下提高水稻的抗病性。杜克大学的一个团队与中国华中农业大学的科学家合作，在2017年5月17日发表在《自然》杂志上的一篇论文中描述了这一发现。
大米是最重要的主食作物之一，占全球人类消耗热量的五分之一以上。由细菌或真菌病原体引起的疾病是一个严重的问题，可导致水稻减产80%或更多。
几十年来对植物免疫反应的研究已经确定了可以用来设计抗病植物的成分。然而，它们在作物上的实际应用是有限的，因为不断积极的防御反应导致产量下降。
杜克大学生物学教授、该项研究的首席研究员董欣年(音译)说，免疫是一把双刃剑。董”说:“在生长和防御之间经常存在权衡，因为防御蛋白不仅对病原体有毒，而且在过度表达时对自身也有害。”这是农业抗病性工程的一个重大挑战，因为其最终目标是保护产量
以前的研究集中于改变基因的编码序列或上游DNA序列元素。这些上游的DNA元素被称为启动子，它们扮演着开启或关闭基因表达的开关。这是基因合成蛋白质产物的第一步，即转录。
通过在防御基因上附加一个启动子来发出“打开”信号，植物可以被改造成对病原体具有高度抵抗力，尽管这要以生长和产量为代价。通过将防御基因附加到一个“病原体特异性”启动子上，这些成本可以部分减轻。
为了进一步减轻主动防御的负面影响，侗族试图增加一层额外的控制。他们使用新发现的序列元素，称为上游开放阅读框(uORFs)，来帮助解决这个问题。这些序列元素作用于基因或信使(RNA，一种类似于DNA的分子)的中间体，以控制其“翻译”成最终的蛋白质产品。Dong实验室最近在《自然》杂志上发表的一篇论文中指出，这些元素中有许多都是以病原体诱导的方式做出反应的。
Dong小组假设，增加这种病原体诱导的翻译调控将导致更严格地控制防御蛋白的表达，并将与增强抗病性相关的产量损失最小化。
为了验证这一假设，研究人员从拟南芥开始。拟南芥是一种在实验室研究中常用的开花植物。他们创造了一个包含转录和翻译元件(uORFs)的DNA序列，并将它们融合到名为snc1的强大的“免疫激活因子”基因的上游。这种杂交序列被称为“转录/翻译盒”，并被植入拟南芥植物中。
当植物具有snc1组成活性时，它们对病原体具有很强的抵抗力，但严重阻碍了生长。值得注意的是，带有转录/翻译盒的植物不仅抗性增强，而且缺乏生长缺陷，与健康的野生型植物相似。这些结果表明，在没有显著成本的情况下，在抗病性增强的工程植物中增加转化控制是有好处的。
董氏团队随后试图将这些发现应用于抗病水稻的研究，因为水稻是世界上最重要的作物之一。他们创造了含有转录/翻译盒驱动另一种名为AtNPR1的强效“免疫激活剂”基因表达的转基因水稻。之所以选择该基因，是因为它被发现在水稻、柑橘、苹果和小麦等多种作物中具有广谱的抗病性。
这些水稻植株上枯黄的叶子是细菌性枯萎病的典型症状，这是一种影响全球稻田的毁灭性疾病。照片由孟元。
含有转录/翻译盒的转基因水稻被细菌/真菌致病菌感染，这些致病菌可引起水稻三大病害:水稻枯萎病、叶斑病和真菌病。对三种病原菌均表现出较强的耐药能力，表明广谱耐药是可行的。重要的是，当在田间种植时，它们每株籽粒数和品质的产量
2几乎不受影响。这些结果显示了农业应用的巨大潜力。
这一策略是已知的第一个在抗病作物工程中以最低产量成本增加转化控制的应用。它有许多优点，因为它广泛适用于多种作物品种对抗许多病原体。由于这一战略涉及激活plants’内源性防御，它还可能减少对作物使用农药，从而保护环境。
此外，这些发现也可广泛应用于其他系统。这些上游元素(uorf)广泛存在于从酵母到人类的生物体中，几乎一半的人类转录本都含有它们。董”说:“在特定的生物过程中，利用这些元素控制蛋白质翻译的巨大潜力还有待实现。”
通讯作者董欣年可通过[email protected]或(919)613-8176联系到他。
引文:“uorf介导的翻译允许工程植物抗病而不需要健身成本，”徐国勇，孟元，艾超人，刘丽晶，庄爱德华，Sargis Karapetyan，王世平，董新年。《自然》杂志，2017年5月17日。DOI: 10.1038 / nature22372
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乔纳森·莫特利客串文章
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://researchblog.duke.edu/2017/05/17/scientists-engineer-disease-resistant-rice-without-sacrificing-yield/