中國科學(xué)報記者 李晨

　　“那天晚上我沒睡著覺。”讓西南大學(xué)研究員王善之夜不能寐的，并非煩惱，而是一項(xiàng)“死磕”十多年的課題終于塵埃落定的狂喜。

　　12月19日，《科學(xué)》在線發(fā)表了這項(xiàng)由中國科學(xué)家領(lǐng)銜的重要研究成果。已從中國農(nóng)業(yè)大學(xué)調(diào)到吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)的孫文獻(xiàn)教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外學(xué)者合作，首次揭示了一種危害水稻的病原細(xì)菌是如何用一種極其“聰明”甚至有些“霸道”的方式，在植物體內(nèi)為自己開辟“特供營養(yǎng)”渠道的。十幾年前，還是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生的王善之就加入了這項(xiàng)研究，并成了他從本科到博士后，乃至去西南大學(xué)工作之后的研究主題。

　　該研究不僅破解了困擾植物病理學(xué)界30多年的謎題，還開創(chuàng)了“抗?fàn)I養(yǎng)”的抗病生物育種新策略，為多種作物細(xì)菌性病害的綠色防控提供了全新解決方案。

　　從本科開始的一場科學(xué)長跑

　　“這個病在當(dāng)時并不是研究熱點(diǎn)，但從來沒有間斷過。”論文第一作者王善之在回顧研究歷程時這樣說道。2008年，還是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)本科生的王善之因?qū)蒲懈信d趣，加入了孫文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時，孫文獻(xiàn)給他分配了一個看似普通的課題——研究水稻細(xì)菌性條斑病的致病機(jī)制。

　　細(xì)菌性條斑病是由稻生黃單胞菌條斑致病變種(Xoc)引起的一種水稻病害。雖然水稻細(xì)菌性條斑病在上世紀(jì)50年代在我國發(fā)現(xiàn)，但相關(guān)研究算不上特別熱門。孫文獻(xiàn)告訴《中國科學(xué)報》，之所以選擇這個課題，“一方面是因?yàn)樗c‘熱門’病害白葉枯病非常相似，就像堂兄弟關(guān)系，但二者侵入植物的方式完全不同；另一方面，由于缺乏有效的抗病基因，該病害一旦暴發(fā)大流行，可能會對水稻生產(chǎn)造成難以估量的嚴(yán)重?fù)p失”。

　　“當(dāng)時我們用最笨的方法——基因敲除。”王善之回憶，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了包含上千個突變體的菌株庫，每個菌株缺失一個特定基因。他們將這些突變體接種到水稻葉片上，觀察哪個基因缺失后，病菌的致病力會顯著減弱。

　　直到2011年，他們終于鎖定了目標(biāo)——avrBs2基因。當(dāng)這個基因被敲除后，病菌在水稻上幾乎無法致病。

　　實(shí)際上，早在1990年，科學(xué)家就在辣椒斑點(diǎn)病菌中發(fā)現(xiàn)了AvrBs2蛋白。隨后研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有黃單胞菌屬的病原菌都攜帶高度相似的avrBs2基因。

　　“缺失avrBs2的病菌，毒力會下降50%~70%。它就像黃單胞菌屬病原菌界的‘明星工具’，每個‘壞蛋’手里都有一個，但我們不知道它們怎么用這個工具，也就無從知曉如何對付它們。”王善之解釋說。幾十年來，avrBs2基因的功能一直沒有破解，成了學(xué)界著名的“硬骨頭”。

　　“方向錯了，再努力也是徒勞”

　　“當(dāng)時很多人覺得沒必要繼續(xù)做，因?yàn)檫@個‘明星基因’的機(jī)理那么多‘大佬’都做過嘗試，幾十年都沒搞清。”但是王善之不這么想。他覺得科研不在于追熱點(diǎn)，而在于解決真問題。“這個難題一直沒有被攻克，科學(xué)問題沒變，我們就該堅持。”

　　“我不看重結(jié)果，更關(guān)注過程。而且，每一次實(shí)驗(yàn)失敗都讓我看到新的問題，對未知世界有了新的認(rèn)知，正應(yīng)了那句‘失敗乃成功之母’。”雖然抱定“坐冷板凳”的決心，可王善之沒有料到，之后8年的研究異常艱難。

　　他循著前人走過的路，自己走了一遍。和那些前輩“大佬”們一樣，也沒有走通。

　　國外團(tuán)隊(duì)曾采用先進(jìn)的氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)，試圖分析AvrBs2的代謝產(chǎn)物。也有團(tuán)隊(duì)花了10年時間尋找與AvrBs2互作的植物蛋白，雖然找到一些候選靶點(diǎn)，但功能驗(yàn)證均告失敗。

　　更現(xiàn)實(shí)的是，隨著白葉枯病等“熱門”病害被攻克，細(xì)菌性條斑病逐漸被邊緣化。“很多團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向更容易出成果的熱點(diǎn)方向。”王善之注意到，持續(xù)研究AvrBs2的團(tuán)隊(duì)從鼎盛時期的十余個減少到兩三個。

　　就這樣，他在錯誤的方向上摸索，結(jié)果并不理想。“方向錯了，再努力也是徒勞。”

　　回歸最“土”辦法，揭秘“特供營養(yǎng)”

　　轉(zhuǎn)機(jī)出現(xiàn)在王善之對實(shí)驗(yàn)方法的反思上。經(jīng)與導(dǎo)師孫文獻(xiàn)反復(fù)探討，他決定嘗試被忽視的傳統(tǒng)方法——薄層色譜法，這是一種上世紀(jì)七八十年代以前常用的分析生物樣本中代謝物的簡單技術(shù)。

　　“我用最‘土’的方法試了一下，居然看到了糖的條帶。”王善之回憶2019年那個興奮的時刻。這個化合物后來被他們團(tuán)隊(duì)證明是一種磷酸化的糖——黃單胞糖。傳統(tǒng)方法之所以成功，是因?yàn)樗幌窀叨思夹g(shù)那樣產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而是直接聚焦于糖類檢測，避免了信息過載的干擾。

　　孫文獻(xiàn)得知結(jié)果后，最初是疑惑，但看到重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后也變得興奮。

　　“王善之確實(shí)很執(zhí)著，從博士到博士后，即使后來去西南大學(xué)也全身心投入。”孫文獻(xiàn)感慨道。實(shí)際上，王善之也曾因長時間無進(jìn)展而想過放棄，但孫文獻(xiàn)鼓勵他：“既然做到了這一步，肯定要堅持下去。”

　　黃單胞菌通過一個像“注射器”的針狀結(jié)構(gòu)，將效應(yīng)蛋白AvrBs2注入植物細(xì)胞內(nèi)部。他們第一次發(fā)現(xiàn)，AvrBs2實(shí)際上是一種新型的磷酸糖酯合成酶，能以植物體內(nèi)的尿苷二磷酸-α-D-半乳糖為原料，合成一種環(huán)狀結(jié)構(gòu)的化合物——黃單胞糖。

　　“這種糖非常特殊，植物無法識別和利用，成了細(xì)菌的‘專屬食品’。”王善之說。

　　更巧妙的是，細(xì)菌還配備了“搬運(yùn)工”和“消化師”：外膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白XanT負(fù)責(zé)將黃單胞糖從植物細(xì)胞間隙搬運(yùn)到細(xì)菌體內(nèi)，磷酸二酯酶XanP則把環(huán)狀糖水解成可被細(xì)菌代謝的半乳糖-1-磷酸。整個過程就像細(xì)菌在植物體內(nèi)建了一個“私人廚房”，就地取材制作專屬營養(yǎng)，獨(dú)享美食。

　　“細(xì)菌真的太‘聰明’了！”王善之感嘆，它攻破植物細(xì)胞后，不希望營養(yǎng)被其他微生物享用，所以用這種方式把營養(yǎng)“鎖”起來自己獨(dú)享。這確保了病原菌的營養(yǎng)優(yōu)先權(quán)。這種機(jī)制在黃單胞菌中高度保守，意味著它可能是一種普遍的生存策略。

　　“發(fā)現(xiàn)黃單胞糖及其機(jī)制時，我興奮得睡不著覺。這就是科研回報——自我價值的實(shí)現(xiàn)。”王善之說。

　　綠色防控的“抗?fàn)I養(yǎng)”策略

　　基于這一發(fā)現(xiàn)，團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了“抗?fàn)I養(yǎng)”型抗病生物育種策略。

　　孫文獻(xiàn)解釋，這種策略在水稻中表達(dá)XanP水解酶，讓它能在黃單胞糖被細(xì)菌利用前分解掉，也就是把黃單胞糖變成植物又能識別的模樣，相當(dāng)于切斷了黃單胞菌的“糧草”。實(shí)驗(yàn)顯示，表達(dá)XanP水解酶的水稻對細(xì)菌性條斑病的抗性顯著提高，且不影響其他重要農(nóng)藝性狀。

　　這一策略的優(yōu)勢在于廣譜性。孫文獻(xiàn)介紹，由于AvrBs2系統(tǒng)在黃單胞菌中廣泛存在，團(tuán)隊(duì)已成功在番茄中應(yīng)用該策略對抗細(xì)菌性斑點(diǎn)病，柑橘潰瘍病的測試也在進(jìn)行中。

　　“我們這篇論文投給《科學(xué)》后僅6周就被接收。”孫文獻(xiàn)說，這說明基礎(chǔ)研究的價值最終會被看見。

　　《科學(xué)》發(fā)表的評述文章，將這項(xiàng)研究與同期另一篇關(guān)于柑橘潰瘍病致病機(jī)理的論文并置，揭示了不同病原菌獲取營養(yǎng)的不同策略。

　　中國工程院院士、西北農(nóng)林科技大學(xué)教授康振生認(rèn)為，“抗黃單胞糖”策略不僅適用于水稻細(xì)菌性條斑病防控，更可能為其他由黃單胞菌引起的作物病害提供一條通用的綠色防控新途徑，從而在減少農(nóng)藥使用的同時，為糧食安全生產(chǎn)提供可持續(xù)的保障。

　　中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員何祖華表示，這是國際上首次完整揭示了病原菌通過效應(yīng)蛋白“巧設(shè)工廠”，竊取寄主體內(nèi)的碳源合成其專用碳源并高效吸收和利用的新機(jī)制。該發(fā)現(xiàn)不僅為作物抗病育種開辟了新路徑，也為探索生態(tài)友好的植物保護(hù)方案提供了全新科學(xué)視角。

　　崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室研究員周儉民的點(diǎn)評尤為引人注目：這屬于“從0到1”的發(fā)現(xiàn)，為解決生產(chǎn)上的頭疼問題提供了新方案，也為全球糧食安全生產(chǎn)貢獻(xiàn)了中國智慧。

　　歷時十余年，這項(xiàng)研究終于從“非主流”課題到實(shí)現(xiàn)國際突破。未來，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深挖細(xì)菌性條斑病的其他致病機(jī)制，推動病害防控進(jìn)入分子設(shè)計時代。