郭惠珊：RNA跨界打靶，打贏人類與病原真菌的戰爭_風聞
CC讲坛-CC讲坛官方账号-创新引领未来，传播改变世界。2020-05-27 11:43
病原微生物引起的植物病害對人類的生存和發展有着極其深遠的影響，其中棉花的黃萎病是其中危害巨大的難點，是棉花的癌症。郭惠珊研究員和她的團隊，用植物-真菌之間的RNA干擾，“跨界打靶”為棉花黃萎病的可持續防控打開了希望之門，也為其他農作物防控病害提供有價值的借鑑。
大家好，我叫郭惠珊，來自中國科學院微生物研究所。
講到微生物，大家都知道，我們就生活在一個微生物的世界裏面，空氣中，土壤下面微生物無處不在。能夠侵染人類和動物的，叫動物病原微生物；而植物病原微生物，就是植物殺手，能夠感染植物，並且造成植物的病害。植物的病害是對人類的生存，有着極其深遠的影響。
1845年到1852年期間，馬鈴薯晚疫病在愛爾蘭大流行，100多萬人因為飢餓而喪失生命。1943年水稻胡麻斑病在孟加拉大流行，200多萬人被餓死。即便是科技發展到今天，植物的病害給農業造成的損傷還是觸目驚心的。根據聯合國糧農組織的統計數據，每年由病蟲害造成的損失，高達全球作物產量的三分之一。我們所熟知的餐桌上的重要糧食作物，水稻、小麥、玉米，還有很多重要的經濟作物，棉花、香蕉、向日葵、番茄、土豆等等，都是植物病蟲害的美食。
微生物種類繁多，數目龐大，有病毒、細菌、真菌，還有一些小型的原生動物。大多數微生物，對人類來説是有益的，在食品、工業品、醫藥品等等行業裏面的研發和製造，都有非常重要的作用。還有一些是有害微生物，其中一些能夠侵染生命有機體，能夠產生症狀，甚至還有傳染性，這些就叫病原微生物。有超過70%的植物殺手是植物病原真菌，根據它們的傳播方式和侵染的部位不同，我們可以把它分為氣傳病原真菌和土傳病原真菌。
氣傳病原真菌，就是依靠氣流的傳播，侵染的是植物地上部分，主要是危害重要的糧食作物，造成稻瘟病、麥鏽病、白粉病、還有赤黴病等等。這些病害所造成的每1%的損失，就是500萬噸糧食的損失，相當於1000萬人一年的口糧。今年，不知道大家有沒有關注過4月份，也就是月初，九省上千萬畝的麥田生病，就是因為這個麥鏽病的大流行。
土傳病原真菌，就長期存在土壤裏面，一旦定植就很難根除了。土傳病原真菌，主要危害的就是重要的經濟作物，它主要造成的是黃萎病、枯萎病、根腐病等等，這些積年流行病害。土傳病原真菌從根部侵染，等到上面地上部分產生症狀的時候已經都是中後期了，就很難像氣傳真菌病害一樣，在侵染的初期，或者早期最佳的治療時期，進行大面積的應急處理，所以土傳病原真菌造成的病害是嚴重危害農業生產中最重要的一類病害，每年造成上百億美元的經濟損失。正是如此，對一些土傳病害，這些農藥可能還是力所不能及的。
比如説右邊的這個圖，是棉花黃萎病，那麼究竟是什麼植物殺手，殺傷力這麼大？説起來我研究棉花黃萎病，還是一個偶然的機會。我實驗室主要長期研究的是植物病毒，2008年我去新疆，開一個植物病毒的會議，當時我有一個客座博士生高峯在新疆，他説要帶我去地裏看棉花，我很高興就跟他去了。
可是他帶我去看的，不是白花花的棉花，而是這樣一片片狼藉的病田。當時我真的是被驚到了，我也立刻明白了高峯的意思，因為在這之前兩年，他在我實驗室做客座研究的時候，就經常跟我們講新疆的棉花黃萎病非常的厲害，防控起來非常的困難，也鼓搗我們是不是能夠做一點這個研究。但因為我所有的課題都是研究植物病毒的，我也不懂真菌，每次我都一笑而過。但是當你站在那個田間地頭，面對那樣的情景的時候，你不可能再無動於衷了。
民以食為天是剛需，可是衣食住行，衣排在第一位。
大家知道，棉花是非常重要的，是最主要的工業天然纖維的來源，也是紡織工業的主導原料。中國是全球最大的棉花消費國，每年消費棉花1000多萬噸，超過世界總產量的40%。但是我們自己，棉花的自給量是低於70%，棉花已經成為我國繼大豆和食用油之後第三大進口農產品。當我聽到，每年僅由棉花黃萎病一項，就造成十幾億美元的經濟損失，而且病害在不斷地擴展，還沒有很好地防控手段的時候，我真的就下決心説：要挑戰棉花黃萎病，和它死磕到底。
開完會回到北京，我就開始查閲資料瞭解到，這個病原菌是一個輪枝菌。中國的科學家也已經鑑定了，在中國造成棉花黃萎病的這個菌是其中的一個種，叫大麗輪枝菌，以一種耐受性非常高的休眠結構叫微菌核，隱藏在土壤下面。能夠耐受零下40℃到零上40℃這樣的極端環境。
因為也沒有太多的資料可以參考，我們就從頭來，從新疆棉花地裏，採到了這個大麗輪枝菌。為了研究的方便，我們就給它標記上熒光蛋白，所以大家可以看到，是綠色的菌絲和孢子。
當我們把這個孢子倒入棉花的培養盆上面的時候，大家就可以看到，很快6個小時，所有孢子就會吸附到根上面去，12個小時開始萌發，兩天大量的菌絲，就纏繞在根外面，紅色就是我們染色的根。當你仔細觀察就會發現，只有少數的菌絲，能夠穿過這個根的表皮。第3天，你就看到，直接達到了根的中央，就是那些維管系統裏，也就類似於人的血管系統，然後開始了繁殖。第5天，根的橫切面和縱切面，大家都可以看到，綠色的熒光的菌絲。那麼第7天，整個維管束系統，就充滿了這樣的菌絲。第10天，第12天，新的菌絲伸出根外，破壞了根尖。
大家有沒有覺得很奇怪，為什麼大量的菌絲，但是隻有少數的菌絲，能夠侵染這個根？可能有人就會想了，可能根上面有傷口吧？不是的，當我們深入的研究就發現，這些真菌碰到根的時候，有少量的菌絲能夠誘導一些侵染結構，這些侵染結構，我們叫附着枝。在這附着枝的底部，還要能產生一個侵染釘，然後大麗輪枝菌，就是依靠這樣的侵染結構，一層一層地穿破細胞壁，然後直接達到它中央的維管束系統。我們研究的這個結果結束了20多年來，科學家對這個菌是不是有侵染結構的一個爭論。
儘管這個菌是在根部侵染，但是它的繁殖，並不侷限在根部，它能夠隨着維管束，來到了地上部分，因為我們在葉片上面也能夠分離到菌絲，慢慢的這個葉片就產生了病斑，病狀。就像人生病一樣，要誘導免疫反應，通過發燒、發熱、發炎，一起來殺死病原菌。
可是這個大麗輪枝菌它不怕，植物死了，它就開始利用這個死體材料作為營養，來開始它的腐生階段。大麗輪枝菌的菌絲，慢慢地變態，產生黑色素孢子，又纏繞在一起，變成了微菌核，又回到地裏去，等待下一次的侵染。所以每一次的侵染，都是一次復狀和產生後代的過程。大麗輪枝菌，就是這樣一個從活體寄生到死體腐生的半活體寄生。土傳維管束病原真菌，要不住在土裏，要不住在維管束裏，還產生了一個抗藥性很強的一個結構，所以農藥對它來説，真的是鞭長莫及。而且生產上的棉花，還沒有什麼抗性資源。
那麼我們就問了，是不是有什麼方法，可以來對抗這麼一個植物殺手呢？人類跟病原真菌的戰爭，從來就沒有停息過。大家看左邊的這個圖，知不知道它是什麼？這是新疆維吾爾族果園裏面的一個人工鳥窩，是最早用來防治病蟲害的植保方法，至今還在沿用。植物病蟲害的防控，主要還是依靠農藥，有化學農藥、生物農藥。早期化學農藥在植物防治，病蟲害上面，應該是功不可沒的，比如説新煙鹼類的殺蟲劑，蚜蟲在一定時間得到了很好的控制。但是隨着20多年來的高頻使用，現在蚜蟲普遍產生了很高的抗藥性。看這個科學雜誌上，各國農藥使用量的這個圖，大家有沒有覺得，我們的世界就像一個農藥星球一樣，而且每年的使用量還在不斷地上升，這就給人民的健康和生態環境，帶來極大的隱患。
我的實驗室長期研究的就是植物抗病毒的RNA干擾，什麼是RNA？我們都知道細胞裏面的遺傳物質DNA，從DNA到蛋白是要經過RNA來傳遞遺傳信息的，所以RNA也是一個帶有密碼的遺傳物質。當它的使命完成了，就要被清除掉，細胞裏面就可以產生一種小RNA，每個小RNA的密碼是不一樣的，但是它們不產生蛋白，它們能夠去抓住跟它能夠相匹配的那個RNA然後把它切斷，這就叫RNA干擾，是一種精準的打靶。我們就想既然不能再提高棉花的抗性，來抵抗這個病原體，那麼我們能不能通過打靶來降低這個病原菌的致病率呢？為了去探討這樣的可能性，我們就利用真菌能夠生出根外這麼一個特性，把這些生出來的菌絲，給收集起來去做檢驗。
有一天我的博士生張濤，就特別興奮地跑過來告訴我，他在真菌裏面檢測到棉花的小RNA，也就是説棉花裏面的小RNA，跑到真菌細胞裏面去做客了，而且還把人家的RNA給剪了。這是國際上首次發現的，自然界存在的，從植物到真菌的跨界RNA干擾。有了這樣跨界打靶的基礎，我們就研發，是不是有跨界打靶的技術。我簡單介紹一個例子：比如説我們先到真菌裏面去尋找，哪一個RNA是負責產生侵染釘的，或者是哪個RNA是負責這個侵染釘的強度的。那麼這樣我們就可以針對這些RNA，來製造一些人工的小RNA，也就是這些密碼剪，然後裝備到這個棉花上去。當這個病原菌來侵染棉花的時候，這些小RNA，就會被送到這個病原菌裏面去，去尋找它各自匹配的RNA來進行定點的精準的打靶，來抑制病原菌的致病率。
圖上給大家顯示的是4個帶有跨界打靶能力的RNAI棉花，大家可以把它叫成“RNA愛棉花”。在實驗室和在病田裏面，我們都鑑定了，這4個棉花有比較良好的抗病性。為使得這個研究更加接近地氣，2017年我又回到了新疆，在高峯的幫助下，我們在新疆建立了田間工作站，在病土裏面，我們一代一代地去檢驗，我們這些棉花的抗病性，有些棉花是可以提高到20%，有一些提高到50%的抗病性。現場的行業內的權威專家，看了我們的工作後，給予我們的工作極高的評價。他們認為我們的工作是，從基礎研究驅動行業，突破技術瓶頸的典範，是為棉花黃萎病的可持續防控，打開了希望之門，邁出了具有里程碑意義的一步。中央電視台，還有世界科技新聞發佈平台，還有一些國內外其它的主流媒體，也對我們的工作進行了大量的報道和評述。
我更加高興的是我們這些工作，大大地鼓舞和吸引了高峯，現在他又再次加入了我的團隊，參加研究。最近我們就發現，這個病原菌，能夠利用侵染釘跟植物緊密接觸的特性，形成一個非常有效的分泌通道，把這個病原菌的很多小蛋白分泌到植物上面來。高峯最近的一個發現就是，有一個效應蛋白，去抵抗植物的免疫抗性的一個全新的作用。
最近我有另外一個學生，就發現有一個效應蛋白跑到植物的細胞裏面去，竟然是去抑制小RNA的產生。所以這真就是叫：“道高一尺 魔高一丈”。小RNA和效應蛋白，就像植物和病原菌，在攻防戰中跨界博弈的兵和卒，我們現在正在努力地一點點地去撬開，植物和病原菌無間道的這個黑箱。希望通過更深層次的去了解植物和病原菌，這些跨界的信息和它們的作用，來指導我們進行更多的人工的模擬和抗病的操縱，從而來研發新一代的跨界RNA技術。
RNAI棉花作為一個新事物，要得到大面積的應用，還有很多事情要做，目前我們就跟行業裏面的專家進行合作，對RNAI棉花的穩定性、安全性、培育有突破性棉花的品種，進行廣泛的研究。最近聯合培養的，具有優良綜合性狀的棉花品系，正在嚴格按照國家新品種審定的各個流程在進行推進，希望在不久的將來，能夠真正的為棉農排憂解難。
這幾年我和我的團隊，幾乎跑遍了新疆各個棉花的種植園區，每到一處，深受棉花黃萎病困擾的棉農都會圍繞我們，不停地訴説棉花黃萎病給他們帶來的傷害。這個時候我們就能更加的體會到：科研要面向國民經濟主戰場，科研成果應該不僅僅是寫在紙上，更應該寫在大地上，這些話的分量。
綠色植物是人類在這個地球上賴以生存的基礎，保護植物健康、建立綠色的、可持續的病蟲害防控體系意義重大。2020年3月份，國務院就簽署了國務院令，公佈了《農作物病蟲害防治條例》。聯合國也把2020年定為“國際植物健康年”。我們的跨界抗病RNA，應該是對傳統防控體系的一個重要的補充，尤其是對那些沒有抗病資源的作物，抗病RNA干擾，應該是更能顯示它的優勢。
