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，每年給我國造成30億公斤糧食損失，嚴重制約著我國主糧作物的穩(wěn)產、高產和優(yōu)產，威脅著我國糧食安全。
為了攻克稻瘟病，南京農業(yè)大學植物保護學院教授張正光帶領團隊與病菌博弈了近30年。2月26日，張正光團隊和上海師范大學教授邢維滿團隊在《自然—植物》發(fā)表了最新研究成果。
他們發(fā)現了稻瘟病菌特有的保守的毒性效應子MoErs1，并揭示其抑制寄主免疫的機制，基于該機制設計的二苯醚酯類化合物對稻瘟病具有顯著防效。該研究在國內外率先提出以稻瘟病菌保守效應子為靶標創(chuàng)制殺菌劑的新理念。
論文評審人一致認為，他們的工作具有很強的創(chuàng)新性。這項研究在植物與微生物互作、植物和農業(yè)領域內對尋找控制病害的新策略具有重要啟示。
挑戰(zhàn)常識：效應子會是新靶標嗎？
水稻是我國的主要糧食作物，種植面積約占我國糧食作物總面積的30%。論文共同通訊作者張正光告訴《中國科學報》，由稻瘟病菌引起的稻瘟病，嚴重時可引起水稻減產40%～50%，甚至顆粒無收，嚴重制約著我國水稻的穩(wěn)產、高產和優(yōu)產。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，可作為綠色農藥創(chuàng)制的殺菌劑分子靶標數量非常有限。據國際殺菌劑抗性行動委員會FRAC的統(tǒng)計，到目前為止可用于殺菌劑開發(fā)的靶標只有20余種。多數殺菌劑是針對同一靶標開發(fā)，全球廣泛使用的殺菌劑中60%的品種只針對3個靶標。
目前所采用的殺菌劑靶標，絕大多數是病菌生長發(fā)育的必須基因。這些基因表達的蛋白往往控制著病菌生存的重要生理生化過程，一旦破壞，病菌本身就不能存活。
張正光解釋說，由于靶標數量有限，導致現有藥劑作用靶點單一、結構同質化嚴重。病菌關鍵基因一旦發(fā)生突變，便有可能導致藥劑活性喪失，因而抗藥性風險巨大。
例如，殺菌劑可能只針對特定的生物學過程發(fā)揮作用，而病原菌很容易通過單一機制的變異來產生抗藥性；另外，一個靶標被多種不同的殺菌劑共同作用，病原菌可能通過對該靶標的變異來同時抵抗多種殺菌劑，從而增加抗藥性的風險。
“因此，深入解析稻瘟病菌與水稻互作的分子機制，挖掘新的殺菌劑靶標，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。
張正光團隊在長期研究中發(fā)現，效應蛋白是病原菌向宿主植物——水稻分泌的一種抑制寄主免疫、促進病菌浸染的必要“武器”。
在植物與病原菌長期的互作過程中，植物依賴于細胞膜上的模式識別受體感知病原相關模式分子，觸發(fā)PTI免疫反應；而病原菌為了抑制寄主的PTI免疫反應，會分泌大量的效應子進入寄主細胞，靶標寄主中的重要免疫組分，抑制PTI免疫反應，引起感病性。
反過來，為了應對效應子觸發(fā)的感病性，植物逐漸進化出抗病蛋白，特異性識別效應子，從而觸發(fā)更為強烈的ETI免疫反應。寄主的ETI對病原菌產生極強的選擇壓力，為了生存并定殖寄主植物，病原菌的效應子會不斷地變異、進化，從而逃避寄主抗病蛋白的識別，規(guī)避水稻的ETI免疫反應，這也是抗性品種抗性容易被克服的原因。
由此可見，效應子多數不保守、容易變異。因而，至今未見以效應子為靶標研發(fā)殺菌劑的先例。
張正光團隊并沒有被常識所限制。“既然效應子在病菌侵染過程中如此重要，能不能以保守效應子為靶標，研發(fā)新型的稻瘟病殺菌劑？”2013年，論文共同第一作者、南京農大植保學院副教授劉木星接過了尋找殺菌劑新靶標的任務。
十年只為揭開效應子神秘面紗
“其實，效應子MoErs1功能的解析著實不易。”劉木星回憶說。
真核生物蛋白質的分泌主要依賴于囊泡運輸過程，病菌效應子的分泌也是如此。當把調控囊泡轉運的相關基因敲除之后，病菌分泌效應子的過程就中斷了，對水稻的侵染也就不會發(fā)生。
張正光團隊針對稻瘟病菌囊泡轉運過程已有大量工作積累，并通過胞外蛋白質組學發(fā)現受囊泡轉運調控分泌的效應子。為了尋求病菌致病必需的毒性效應子，他們對鑒定的效應子編碼基因進行了逐個敲除，最終發(fā)現一種被稱為MoErs1的效應子缺失后能夠中斷病菌的侵染過程。他們意識到這是一個非常關鍵的效應子，或許就是研究的突破口。
2015年，他們團隊就已經鑒定到了效應子MoErs1。“但是由于其序列上沒有特殊功能域，我們一直無法得知其具體的功能。”
隨后8余年，張正光團隊默默做著一步步的解析工作。“其實沒有什么特別震撼或者比較有意思的故事，它就是我們堅持不懈、投入大量時間熬出來的一個作品。”劉木星說。
為了進一步研究效應子MoErs1的功能，揭開它的神秘面紗，他們首先對其多態(tài)性進行分析，發(fā)現在已經測序的來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程中的重要性。”劉木星說。
既然序列沒有對應特殊功能，他們只能想辦法研究效應子的三維結構。盡管這個過程非常困難，但他們最終在與邢維滿團隊合作下解析了效應子MoErs1的晶體結構，發(fā)現它是一類半胱氨酸蛋白酶抑制子，能夠靶標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。
稻瘟病菌效應子MoErs1抑制水稻免疫機制的發(fā)現及首個靶向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開發(fā)利用。”張正光說，由于保守的效應子是在長期進化過程中被證明不容易發(fā)生突變的蛋白，因此尋找保守效應子為靶標開發(fā)的殺菌劑理論上也不易產生抗藥性。
新型殺菌劑已經誕生
基于效應子與水稻免疫系統(tǒng)互作的模型，他們設計出了一種二苯醚酯類化合物。該化合物能夠競爭性地與病菌效應子MoErs1結合，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，我們已經完成該化合物的急性毒性、三致毒性和環(huán)境毒性等預實驗，均為低毒。”劉木星說。
2023年9月，二苯醚酯類化合物FY21001防控稻瘟病現場觀摩會在湖南省桃江縣舉行。與會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基地，張正光介紹了稻瘟病發(fā)病情況、施藥過程和防治效果。
專家組現場查看各個藥劑處理的稻瘟病病情指數和田間防效，一致認為二苯醚酯類化合物與對照藥劑三環(huán)唑的防治效果相當。
中國工程院院士、湖南省農業(yè)科學院黨委書記柏連陽充分肯定了該項工作的重要意義。他評價二苯醚酯類化合物FY21001是基于原創(chuàng)性靶標研發(fā)的具有原創(chuàng)性結構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。其對稻瘟病田間防效突出，與現有稻瘟病防控主流藥劑效果相當，建議加快進入農藥登記程序。
“圍繞這一化合物，我們獲得了4件國家授權發(fā)明專利，對化合物的骨架進行了保護。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藥登記申請。”張正光說。
效應子是病原菌攻擊寄主的重要武器，已報道的研究主要集中于解析效應蛋白抑制寄主免疫的機制，由于絕大多數效應蛋白具有多態(tài)性，迄今未見以效應子為靶標研發(fā)殺菌劑的先例。
該項研究拓展了人們對殺菌劑研發(fā)的認知，創(chuàng)建了以效應子為靶標的新型殺菌劑創(chuàng)制的新策略。同時，由于效應子是真菌特有的、分泌到胞外的蛋白，針對效應子開發(fā)的殺菌劑具有低毒、不易產生抗藥性等特點，符合我國綠色農藥創(chuàng)制的發(fā)展需求，為我國綠色農藥創(chuàng)制開辟了新途徑。
論文相關信息：https://www.nature.com/articles/s41477-024-01642-x
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