另辟蹊徑開發(fā)“水稻癌癥”新型殺菌劑
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(guó)造成30億公斤糧食損失，嚴(yán)重制約著我國(guó)主糧作物的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn)，威脅著我國(guó)糧食安全。
為了攻克稻瘟病，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院教授張正光帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)與病菌博弈了近30年。2月26日，張正光團(tuán)隊(duì)和上海師范大學(xué)教授邢維滿團(tuán)隊(duì)在《自然—植物》發(fā)表了最新研究成果。
他們發(fā)現(xiàn)了稻瘟病菌特有的保守的毒性效應(yīng)子MoErs1，并揭示其抑制寄主免疫的機(jī)制，基于該機(jī)制設(shè)計(jì)的二苯醚酯類化合物對(duì)稻瘟病具有顯著防效。該研究在國(guó)內(nèi)外率先提出以稻瘟病菌保守效應(yīng)子為靶標(biāo)創(chuàng)制殺菌劑的新理念。
論文評(píng)審人一致認(rèn)為，他們的工作具有很強(qiáng)的創(chuàng)新性。這項(xiàng)研究在植物與微生物互作、植物和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)對(duì)尋找控制病害的新策略具有重要啟示。
挑戰(zhàn)常識(shí)：效應(yīng)子會(huì)是新靶標(biāo)嗎？
水稻是我國(guó)的主要糧食作物，種植面積約占我國(guó)糧食作物總面積的30%。論文共同通訊作者張正光告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，由稻瘟病菌引起的稻瘟病，嚴(yán)重時(shí)可引起水稻減產(chǎn)40%～50%，甚至顆粒無(wú)收，嚴(yán)重制約著我國(guó)水稻的穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn)。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。
稻瘟病田間為害癥狀。受訪者供圖
然而，可作為綠色農(nóng)藥創(chuàng)制的殺菌劑分子靶標(biāo)數(shù)量非常有限。據(jù)國(guó)際殺菌劑抗性行動(dòng)委員會(huì)FRAC的統(tǒng)計(jì)，到目前為止可用于殺菌劑開發(fā)的靶標(biāo)只有20余種。多數(shù)殺菌劑是針對(duì)同一靶標(biāo)開發(fā)，全球廣泛使用的殺菌劑中60%的品種只針對(duì)3個(gè)靶標(biāo)。
目前所采用的殺菌劑靶標(biāo)，絕大多數(shù)是病菌生長(zhǎng)發(fā)育的必須基因。這些基因表達(dá)的蛋白往往控制著病菌生存的重要生理生化過(guò)程，一旦破壞，病菌本身就不能存活。
張正光解釋說(shuō)，由于靶標(biāo)數(shù)量有限，導(dǎo)致現(xiàn)有藥劑作用靶點(diǎn)單一、結(jié)構(gòu)同質(zhì)化嚴(yán)重。病菌關(guān)鍵基因一旦發(fā)生突變，便有可能導(dǎo)致藥劑活性喪失，因而抗藥性風(fēng)險(xiǎn)巨大。
例如，殺菌劑可能只針對(duì)特定的生物學(xué)過(guò)程發(fā)揮作用，而病原菌很容易通過(guò)單一機(jī)制的變異來(lái)產(chǎn)生抗藥性；另外，一個(gè)靶標(biāo)被多種不同的殺菌劑共同作用，病原菌可能通過(guò)對(duì)該靶標(biāo)的變異來(lái)同時(shí)抵抗多種殺菌劑，從而增加抗藥性的風(fēng)險(xiǎn)。
“因此，深入解析稻瘟病菌與水稻互作的分子機(jī)制，挖掘新的殺菌劑靶標(biāo)，創(chuàng)制綠色高效低毒殺菌劑，可望為稻瘟病的綠色防控建立新策略。”張正光說(shuō)。
張正光團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期研究中發(fā)現(xiàn)，效應(yīng)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(jìn)病菌浸染的必要“武器”。
在植物與病原菌長(zhǎng)期的互作過(guò)程中，植物依賴于細(xì)胞膜上的模式識(shí)別受體感知病原相關(guān)模式分子，觸發(fā)PTI免疫反應(yīng)；而病原菌為了抑制寄主的PTI免疫反應(yīng)，會(huì)分泌大量的效應(yīng)子進(jìn)入寄主細(xì)胞，靶標(biāo)寄主中的重要免疫組分，抑制PTI免疫反應(yīng)，引起感病性。
反過(guò)來(lái)，為了應(yīng)對(duì)效應(yīng)子觸發(fā)的感病性，植物逐漸進(jìn)化出抗病蛋白，特異性識(shí)別效應(yīng)子，從而觸發(fā)更為強(qiáng)烈的ETI免疫反應(yīng)。寄主的ETI對(duì)病原菌產(chǎn)生極強(qiáng)的選擇壓力，為了生存并定殖寄主植物，病原菌的效應(yīng)子會(huì)不斷地變異、進(jìn)化，從而逃避寄主抗病蛋白的識(shí)別，規(guī)避水稻的ETI免疫反應(yīng)，這也是抗性品種抗性容易被克服的原因。
由此可見，效應(yīng)子多數(shù)不保守、容易變異。因而，至今未見以效應(yīng)子為靶標(biāo)研發(fā)殺菌劑的先例。
張正光團(tuán)隊(duì)并沒有被常識(shí)所限制。“既然效應(yīng)子在病菌侵染過(guò)程中如此重要，能不能以保守效應(yīng)子為靶標(biāo)，研發(fā)新型的稻瘟病殺菌劑？”2013年，論文共同第一作者、南京農(nóng)大植保學(xué)院副教授劉木星接過(guò)了尋找殺菌劑新靶標(biāo)的任務(wù)。
十年只為揭開效應(yīng)子神秘面紗
“其實(shí)，效應(yīng)子MoErs1功能的解析著實(shí)不易。”劉木星回憶說(shuō)。
真核生物蛋白質(zhì)的分泌主要依賴于囊泡運(yùn)輸過(guò)程，病菌效應(yīng)子的分泌也是如此。當(dāng)把調(diào)控囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)的相關(guān)基因敲除之后，病菌分泌效應(yīng)子的過(guò)程就中斷了，對(duì)水稻的侵染也就不會(huì)發(fā)生。
張正光團(tuán)隊(duì)針對(duì)稻瘟病菌囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程已有大量工作積累，并通過(guò)胞外蛋白質(zhì)組學(xué)發(fā)現(xiàn)受囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)控分泌的效應(yīng)子。為了尋求病菌致病必需的毒性效應(yīng)子，他們對(duì)鑒定的效應(yīng)子編碼基因進(jìn)行了逐個(gè)敲除，最終發(fā)現(xiàn)一種被稱為MoErs1的效應(yīng)子缺失后能夠中斷病菌的侵染過(guò)程。他們意識(shí)到這是一個(gè)非常關(guān)鍵的效應(yīng)子，或許就是研究的突破口。
2015年，他們團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)鑒定到了效應(yīng)子MoErs1。“但是由于其序列上沒有特殊功能域，我們一直無(wú)法得知其具體的功能。”
隨后8余年，張正光團(tuán)隊(duì)默默做著一步步的解析工作。“其實(shí)沒有什么特別震撼或者比較有意思的故事，它就是我們堅(jiān)持不懈、投入大量時(shí)間熬出來(lái)的一個(gè)作品。”劉木星說(shuō)。
為了進(jìn)一步研究效應(yīng)子MoErs1的功能，揭開它的神秘面紗，他們首先對(duì)其多態(tài)性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在已經(jīng)測(cè)序的來(lái)自世界各地的幾百份稻瘟病菌生理小種中不存在多態(tài)性，表明其保守性高、不易發(fā)生變異。“這種保守性也決定了其在稻瘟病菌致病過(guò)程中的重要性。”劉木星說(shuō)。
既然序列沒有對(duì)應(yīng)特殊功能，他們只能想辦法研究效應(yīng)子的三維結(jié)構(gòu)。盡管這個(gè)過(guò)程非常困難，但他們最終在與邢維滿團(tuán)隊(duì)合作下解析了效應(yīng)子MoErs1的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它是一類半胱氨酸蛋白酶抑制子，能夠靶標(biāo)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。
稻瘟病菌效應(yīng)子MoErs1抑制水稻免疫機(jī)制的發(fā)現(xiàn)及首個(gè)靶向MoErs1抑制劑的創(chuàng)制策略。受訪者供圖
“由于MoErs1的保守性，理論上可作為新型殺菌劑靶標(biāo)開發(fā)利用。”張正光說(shuō)，由于保守的效應(yīng)子是在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中被證明不容易發(fā)生突變的蛋白，因此尋找保守效應(yīng)子為靶標(biāo)開發(fā)的殺菌劑理論上也不易產(chǎn)生抗藥性。
新型殺菌劑已經(jīng)誕生
基于效應(yīng)子與水稻免疫系統(tǒng)互作的模型，他們?cè)O(shè)計(jì)出了一種二苯醚酯類化合物。該化合物能夠競(jìng)爭(zhēng)性地與病菌效應(yīng)子MoErs1結(jié)合，抑制其靶向水稻的OsRD21，從而釋放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(fā)生。
“目前，我們已經(jīng)完成該化合物的急性毒性、三致毒性和環(huán)境毒性等預(yù)實(shí)驗(yàn)，均為低毒。”劉木星說(shuō)。
2023年9月，二苯醚酯類化合物FY21001防控稻瘟病現(xiàn)場(chǎng)觀摩會(huì)在湖南省桃江縣舉行。與會(huì)人員觀摩了位于桃江縣高橋鎮(zhèn)羅溪村的稻瘟病防控藥效試驗(yàn)基地，張正光介紹了稻瘟病發(fā)病情況、施藥過(guò)程和防治效果。
專家組現(xiàn)場(chǎng)查看各個(gè)藥劑處理的稻瘟病病情指數(shù)和田間防效，一致認(rèn)為二苯醚酯類化合物與對(duì)照藥劑三環(huán)唑的防治效果相當(dāng)。
中國(guó)工程院院士、湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黨委書記柏連陽(yáng)充分肯定了該項(xiàng)工作的重要意義。他評(píng)價(jià)二苯醚酯類化合物FY21001是基于原創(chuàng)性靶標(biāo)研發(fā)的具有原創(chuàng)性結(jié)構(gòu)的新型高效低毒殺菌劑，突破了傳統(tǒng)殺菌劑創(chuàng)制的局限性。其對(duì)稻瘟病田間防效突出，與現(xiàn)有稻瘟病防控主流藥劑效果相當(dāng)，建議加快進(jìn)入農(nóng)藥登記程序。
“圍繞這一化合物，我們獲得了4件國(guó)家授權(quán)發(fā)明專利，對(duì)化合物的骨架進(jìn)行了保護(hù)。目前我們正在與江蘇中旗科技股份有限公司合作開發(fā)，近兩年有望正式提交農(nóng)藥登記申請(qǐng)。”張正光說(shuō)。
效應(yīng)子是病原菌攻擊寄主的重要武器，已報(bào)道的研究主要集中于解析效應(yīng)蛋白抑制寄主免疫的機(jī)制，由于絕大多數(shù)效應(yīng)蛋白具有多態(tài)性，迄今未見以效應(yīng)子為靶標(biāo)研發(fā)殺菌劑的先例。
該項(xiàng)研究拓展了人們對(duì)殺菌劑研發(fā)的認(rèn)知，創(chuàng)建了以效應(yīng)子為靶標(biāo)的新型殺菌劑創(chuàng)制的新策略。同時(shí)，由于效應(yīng)子是真菌特有的、分泌到胞外的蛋白，針對(duì)效應(yīng)子開發(fā)的殺菌劑具有低毒、不易產(chǎn)生抗藥性等特點(diǎn)，符合我國(guó)綠色農(nóng)藥創(chuàng)制的發(fā)展需求，為我國(guó)綠色農(nóng)藥創(chuàng)制開辟了新途徑。
論文相關(guān)信息：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01642-x
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