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《美国科学家揭示了香蕉枯萎病的真菌分子机制》

  • 编译者： 李周晶
  • 发布时间：2024-10-29

  • 全球香蕉产业正面临前所未有的挑战，由新型Fusarium oxysporum f.sp. cubense热带4号小种（Foc TR4）引起的香蕉枯萎病正迅速蔓延。与传统认知不同，这一新菌株并非1950年代毁灭性疫情的直接演化结果，而是携带了特定辅助基因，显著增强了其致病性。

    8月16日，美国马萨诸塞大学阿默斯特分校领导的一项国际研究在《Nature Microbiology》上发表，揭示了这些辅助基因与Foc TR4毒性之间的紧密联系。该研究团队通过对全球收集的36种Foc菌株进行测序与比对，发现Foc TR4利用特定的辅助基因合成并解毒一氧化氮，从而有效侵入宿主。当控制一氧化氮产生的两个关键基因被敲除时，Foc TR4的毒性显著减弱，为开发新型防控策略提供了重要线索。面对这一严峻形势，研究团队强调了多样化种植的重要性。单一作物种植模式使得大规模商业香蕉田成为病原体的易攻击目标。

    该研究不仅为对抗香蕉枯萎病提供了新视角，也警示了农业界需重视作物多样性，以应对未来可能的疫情爆发。随着科研的深入，人类有望找到更加有效的防控手段，保护这一重要经济作物免受病害侵扰。

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  • 《美国科学家揭示作物抗旱的关键分子机制》
    • 来源专题：农业科技前沿与政策咨询快报
    • 编译者：李楠
    • 发布时间：2017-11-28
    • 气候变化会使旱灾频发，威胁农作物的生长。保护农作物的一种潜在方法是通过对作物喷洒某种化合物，来提高作物的抗旱性。目前，伊利诺伊大学（University of Illinois）的研究者们发现了一种使作物减少水分流失的关键分子机理 ，该发现为科学家找到合适的作物抗旱化合物奠定了基础。 面对干旱的气候条件，植物的自然抵御力会增强。它们会产生植物激素——脱落酸（ABA）附着在一种称之为PYL受体的蛋白质上，从而引发一系列反应，最终促使植物叶片上的气孔关闭。伊利诺伊大学（University of Illinois）的研究人员萨拉·沙卡拉（Saurabh Shukla）解释称：“这样一来，植物便可以减少甚至是完全不流失任何水分，从而可以保持水分，延长寿命。”其中最为关键的就是植物激素ABA，但由于ABA稳定性较弱且分子结构比较复杂，所以不能直接喷洒在农田里。不过，沙卡拉指出，“如果我们能够了解这种植物激素的工作机理，就可以设计出一些具备相同机理的分子为我们服务。”科学家如果能找到一种既具备相同机理，又廉价、稳定且环保的激素，那么农民就可以利用它提高农作物的抗旱性。 但是要弄清楚ABA的具体工作机理并非易事。诸如X射线衍射等实验室技术虽然能够记录下ABA附着到PYL受体前后的状态，但却无法捕捉到附着前后的瞬间。因此，沙卡拉和同事们通过使用分子动态模拟器，观察到了ABA是如何落在PYL受体的具体细节。模拟器一帧一帧地显示了ABA是在何处、以何种方式与蛋白质结合，使其改变形状，从而使序列当中的下一个蛋白质被激活，最终促使植物叶片上的气孔关闭的全过程。最后几帧中ABA落到受体上，这与X射线衍射技术所预测的晶体结构完全一致，再次验证了模拟器的准确性。2017年2月11日至15日，在新奥尔良举办的第61届生物物理学学会会议上（the 61st Meeting of the Biophysical Society），该项目的研究团队展示了这项成果。 研究者称他们只模拟了两种特定类型的PYL受体，均是在拟南芥（A. thaliana）中发现的。沙卡拉称，由于绝大多数物种的PYL受体的结构都比较相似，因此他们的研究成果具有广泛的适用性。对于已知晶体结构的PYL受体，它们同ABA结合的蛋白质部分相同，结合处周围的结构也相似，这样的相似性意味绝大多数植物中都有相同的结合机制。 沙卡拉指出，研究者们会继续在其他植物当中验证这种机制，例如，水稻的PYL受体结构是已知的，因此可以去探索水稻中类似ABA的激素。研究者需要进行严密的计算和基因研究来识别这种化合物，他们的目标是不需要依靠基因工程便可以找到一种适用于所有物种的化合物。但是要让这种化合物产品出现在市场上，至少还需要10年的时间。 （编译 李楠）
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  • 《“香蕉艾滋病”基因编辑成避免香蕉灭绝的希望》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：zhangyi8606
    • 发布时间：2019-12-13
    • 南美洲是香蕉生产和出口大国，南美的厄瓜多尔是世界上最大的香蕉出口国，哥伦比亚、哥斯达黎加和危地马拉也是香蕉的大生产国。 香蕉种植园最怕的就是真菌感染，1950年，一种叫做巴拿马病的香蕉传染病爆发，直接导致当时在南美洲广泛种植的香蕉品种大麦克香蕉（Gros Michel）彻底绝种。 此后，科学家培育出对巴拿马病有抵抗能力的新品种卡文迪什香蕉（Cavendish），取代大麦克香蕉，成为目前最广泛种植的香蕉品种，现在，卡文迪什香蕉占全世界香蕉总销量的99%。 香蕉危在旦夕 然而，感染香蕉的真菌也一直在进化，巴拿马病的一个变种黄叶病热带第4型，出现了。黄叶病热带第4型，是由真菌感染导致，一旦感染香蕉，就会导致水分及养料无法输送，使香蕉树中心部分萎缩发黑，2-3年内更可令香蕉园内所有香蕉彻底枯萎。 可怕的是，这种真菌的孢子能潜伏在泥土中30年以上，因此一旦感染过的土地，就不能再种植香蕉，而且这种真菌能通过水滴及依附在机器或鞋子上的少量泥土传播。这种可怕的香蕉传染病被形象的称呼为香蕉艾滋病，这种香蕉艾滋病之前已在亚洲广泛传播。 “香蕉艾滋病”蔓延，CRISPR基因编辑成为避免香蕉灭绝的唯一希望 然而，就在上个月，哥伦比亚政府证实，黄叶病热带第4型已经传播到了哥伦比亚的四个香蕉种植园。 遏制黄叶病热带第4型传播的唯一方法就是销毁种植园所有植物，并关闭整个种植园数十年。因为这种真菌的孢子可以在土壤中存活30年以上，杀菌剂对它们根本无效。 由于卡文迪什香蕉的广泛种植，黄叶病热带第4型一旦大规模传播，将很可能彻底摧毁整个香蕉种植业。因此设计并培育能够抵抗这种病害的新一代香蕉，变得非常紧迫。 由于卡文迪什香蕉是无性繁殖的，没有种子，只能通过克隆进行繁殖，因此无法通过传统育种方法赋予它对黄叶病热带第4型的抗病性。 佛罗里达大学植物病理学家兰迪·普洛茨（Randy Ploetz）认为，想从这种真菌手里挽救卡文迪什香蕉，或许只有一种办法，那就是修改它的基因组。 澳大利亚的一个研究团队已经开始这项研究，他们使用CRISPR基因编辑技术，将野生香蕉中的一个基因加入到卡文迪什香蕉基因组中，来增强卡文迪什香蕉对真菌的抵抗力。目前他们已经开始在田间测试这种改良香蕉。 澳大利亚昆士兰科技大学的生物技术专家 James Dale 说，从今年7月开始，越来越多的人咨询他转基因香蕉的问题，因为黄叶病热带第4型已经传播到了哥伦比亚，哥伦比亚宣布进入国家紧急状态，人们对转基因香蕉的兴趣越来越浓厚。 一个有吸引力的选择 其实，这这不是商业种植香蕉品种第一次面临灭绝。1950年，一种叫做巴拿马病的香蕉传染病爆发，直接导致当时在南美洲广泛种植的香蕉品种大麦克香蕉（Gros Michel）彻底绝种。 好在卡文迪什香蕉被培育出来，它能够抵抗巴拿马病，而且韧性足以承受出口过程中的搬运，并且具有被广泛接受和认可的味道，很快，卡文迪什香蕉取代了大麦克香蕉，称霸出口香蕉市场。 然而，这一次面临的麻烦更大，因为目前没有天然存在的香蕉同时具有卡文迪什香蕉的品质和对黄叶病热带第4型的抵抗力 导致黄叶病热带第4型的真菌如此强大，真菌的孢子可以在土壤中存活30年以上，杀菌剂对它们根本无效。研究人员认为，卡文迪什香蕉可能在未来几十年内逐渐灭绝，除非能够对其进行修饰以抵抗这种真菌。 澳大利亚昆士兰科技大学的生物技术专家 James Dale 的团队，一直致力于通过从野生香蕉中选取抗病基因，对卡文迪什香蕉进行基因改造，该基因赋予了对黄叶病热带第4型抗性。 2017年他们通过一次小型试验取得了令人鼓舞的结果后，然后研究团队开始了一项较大规模的研究。他们在澳大利亚北部的半公顷的土地上种植了转基因的卡文迪什香蕉。 结果表明，这种转基因香蕉的状况很好，对真菌的抵抗能力很好。 “香蕉艾滋病”蔓延，CRISPR基因编辑成为避免香蕉灭绝的唯一希望 他计划在2021年研究结束后，向澳大利亚监管机构申请批准销售转基因卡文迪什香蕉。但是，无法预测监管机构是否会批准或需要多长时间才能获得批准。 即使这种转基因香蕉获得批准生产，能不能卖得出去也可能是一个问题。转基因作物长期以来一直在世界范围内受到公众的抵制，尤其是在欧洲。他们的研究团队拥有这种出色的香蕉，对黄叶病热带第4型拥有良好的抵抗能力，但是消费者是否会购买完全是另一个问题。 用CRISPR去改造香蕉 James Dale 的团队正在使用CRISPR基因编辑技术来改造卡文迪什香蕉的的基因组，以增强其对黄叶病热带第4型的抵抗力。 具体来说，他们尝试打开卡文迪什香蕉的一个休眠基因，该基因赋予香蕉对黄叶病热带第4型。 这种方法不需要引入外源基因，因此可能更容易通过监管部门的批准。 但是这项工作仍处于初期阶段，要等到几年才能进入试验阶段 “香蕉艾滋病”蔓延，CRISPR基因编辑成为避免香蕉灭绝的唯一希望 一家英国的生物技术初创公司Tropic Biosciences，正试图使用CRISPR基因编辑技术来增强卡文迪许香蕉的免疫系统。 所有植物都产生控制其自身某些基因活性的小链RNA。最近的研究表明，这些RNA链中的某些有时可以抑制病原体中的基因，使入侵者瘫痪。这家生物技术公司正在使用CRISPR编辑卡文迪什香蕉中的RNA链，从而使黄叶病热带第4型中的基因沉默。 能否被接受是个问题 但目前尚不清楚世界各地的监管机构将如何迎接基因编辑香蕉。 2016年，美国农业部决定不对使用CRISPR基因编辑蘑菇进行监管，这表明美国可能会以类似方式处理CRISPR基因编辑香蕉。 哥伦比亚、智利、巴西、日本和以色列政府已经发布了官方声明，表明他们也可能对CRISPR基因编辑农作物宽容。 但是，欧盟已经表示，将像对其他转基因食品一样严格评估基因编辑作物。 瑞典农业科学大学植物遗传学家 Rodomiro Ortiz，支持研究人员正在进行的针对卡文迪什香蕉的基因编辑，但他告诫不要只专注于对卡文迪什香蕉的改良。 除了卡文迪什香蕉以外，地球上还有一千多种其他类型的香蕉。虽然它们有的不及卡文迪什香蕉的产量，有的无法运输，有的味道不好。但是，它们是一个巨大的香蕉宝库，商业香蕉公司可以尝试改良这些品种来建立替代品种，这样也能让人们吃到多种多样的香蕉。
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