郭惠珊：RNA跨界打靶，打赢人类与病原真菌的战争

病原微生物引起的植物病害对人类的生存和发展有着极其深远的影响，其中棉花的黄萎病是其中危害巨大的难点，是棉花的癌症。郭惠珊研究员和她的团队，用植物-真菌之间的RNA干扰，“跨界打靶”为棉花黄萎病的可持续防控打开了希望之门，也为其他农作物防控病害提供有价值的借鉴。

大家好，我叫郭惠珊，来自中国科学院微生物研究所。

讲到微生物，大家都知道，我们就生活在一个微生物的世界里面，空气中，土壤下面微生物无处不在。能够侵染人类和动物的，叫动物病原微生物；而植物病原微生物，就是植物杀手，能够感染植物，并且造成植物的病害。植物的病害是对人类的生存，有着极其深远的影响。

1845年到1852年期间，马铃薯晚疫病在爱尔兰大流行，100多万人因为饥饿而丧失生命。1943年水稻胡麻斑病在孟加拉大流行，200多万人被饿死。即便是科技发展到今天，植物的病害给农业造成的损伤还是触目惊心的。根据联合国粮农组织的统计数据，每年由病虫害造成的损失，高达全球作物产量的三分之一。我们所熟知的餐桌上的重要粮食作物，水稻、小麦、玉米，还有很多重要的经济作物，棉花、香蕉、向日葵、番茄、土豆等等，都是植物病虫害的美食。

微生物种类繁多，数目庞大，有病毒、细菌、真菌，还有一些小型的原生动物。大多数微生物，对人类来说是有益的，在食品、工业品、医药品等等行业里面的研发和制造，都有非常重要的作用。还有一些是有害微生物，其中一些能够侵染生命有机体，能够产生症状，甚至还有传染性，这些就叫病原微生物。有超过70%的植物杀手是植物病原真菌，根据它们的传播方式和侵染的部位不同，我们可以把它分为气传病原真菌和土传病原真菌。

气传病原真菌，就是依靠气流的传播，侵染的是植物地上部分，主要是危害重要的粮食作物，造成稻瘟病、麦锈病、白粉病、还有赤霉病等等。这些病害所造成的每1%的损失，就是500万吨粮食的损失，相当于1000万人一年的口粮。今年，不知道大家有没有关注过4月份，也就是月初，九省上千万亩的麦田生病，就是因为这个麦锈病的大流行。

土传病原真菌，就长期存在土壤里面，一旦定植就很难根除了。土传病原真菌，主要危害的就是重要的经济作物，它主要造成的是黄萎病、枯萎病、根腐病等等，这些积年流行病害。土传病原真菌从根部侵染，等到上面地上部分产生症状的时候已经都是中后期了，就很难像气传真菌病害一样，在侵染的初期，或者早期最佳的治疗时期，进行大面积的应急处理，所以土传病原真菌造成的病害是严重危害农业生产中最重要的一类病害，每年造成上百亿美元的经济损失。正是如此，对一些土传病害，这些农药可能还是力所不能及的。

比如说右边的这个图，是棉花黄萎病，那么究竟是什么植物杀手，杀伤力这么大？说起来我研究棉花黄萎病，还是一个偶然的机会。我实验室主要长期研究的是植物病毒，2008年我去新疆，开一个植物病毒的会议，当时我有一个客座博士生高峰在新疆，他说要带我去地里看棉花，我很高兴就跟他去了。

可是他带我去看的，不是白花花的棉花，而是这样一片片狼藉的病田。当时我真的是被惊到了，我也立刻明白了高峰的意思，因为在这之前两年，他在我实验室做客座研究的时候，就经常跟我们讲新疆的棉花黄萎病非常的厉害，防控起来非常的困难，也鼓捣我们是不是能够做一点这个研究。但因为我所有的课题都是研究植物病毒的，我也不懂真菌，每次我都一笑而过。但是当你站在那个田间地头，面对那样的情景的时候，你不可能再无动于衷了。

民以食为天是刚需，可是衣食住行，衣排在第一位。

大家知道，棉花是非常重要的，是最主要的工业天然纤维的来源，也是纺织工业的主导原料。中国是全球最大的棉花消费国，每年消费棉花1000多万吨，超过世界总产量的40%。但是我们自己，棉花的自给量是低于70%，棉花已经成为我国继大豆和食用油之后第三大进口农产品。当我听到，每年仅由棉花黄萎病一项，就造成十几亿美元的经济损失，而且病害在不断地扩展，还没有很好地防控手段的时候，我真的就下决心说：要挑战棉花黄萎病，和它死磕到底。

开完会回到北京，我就开始查阅资料了解到，这个病原菌是一个轮枝菌。中国的科学家也已经鉴定了，在中国造成棉花黄萎病的这个菌是其中的一个种，叫大丽轮枝菌，以一种耐受性非常高的休眠结构叫微菌核，隐藏在土壤下面。能够耐受零下40℃到零上40℃这样的极端环境。

因为也没有太多的资料可以参考，我们就从头来，从新疆棉花地里，采到了这个大丽轮枝菌。为了研究的方便，我们就给它标记上荧光蛋白，所以大家可以看到，是绿色的菌丝和孢子。

当我们把这个孢子倒入棉花的培养盆上面的时候，大家就可以看到，很快6个小时，所有孢子就会吸附到根上面去，12个小时开始萌发，两天大量的菌丝，就缠绕在根外面，红色就是我们染色的根。当你仔细观察就会发现，只有少数的菌丝，能够穿过这个根的表皮。第3天，你就看到，直接达到了根的中央，就是那些维管系统里，也就类似于人的血管系统，然后开始了繁殖。第5天，根的横切面和纵切面，大家都可以看到，绿色的荧光的菌丝。那么第7天，整个维管束系统，就充满了这样的菌丝。第10天，第12天，新的菌丝伸出根外，破坏了根尖。

大家有没有觉得很奇怪，为什么大量的菌丝，但是只有少数的菌丝，能够侵染这个根？可能有人就会想了，可能根上面有伤口吧？不是的，当我们深入的研究就发现，这些真菌碰到根的时候，有少量的菌丝能够诱导一些侵染结构，这些侵染结构，我们叫附着枝。在这附着枝的底部，还要能产生一个侵染钉，然后大丽轮枝菌，就是依靠这样的侵染结构，一层一层地穿破细胞壁，然后直接达到它中央的维管束系统。我们研究的这个结果结束了20多年来，科学家对这个菌是不是有侵染结构的一个争论。

尽管这个菌是在根部侵染，但是它的繁殖，并不局限在根部，它能够随着维管束，来到了地上部分，因为我们在叶片上面也能够分离到菌丝，慢慢的这个叶片就产生了病斑，病状。就像人生病一样，要诱导免疫反应，通过发烧、发热、发炎，一起来杀死病原菌。

可是这个大丽轮枝菌它不怕，植物死了，它就开始利用这个死体材料作为营养，来开始它的腐生阶段。大丽轮枝菌的菌丝，慢慢地变态，产生黑色素孢子，又缠绕在一起，变成了微菌核，又回到地里去，等待下一次的侵染。所以每一次的侵染，都是一次复状和产生后代的过程。大丽轮枝菌，就是这样一个从活体寄生到死体腐生的半活体寄生。土传维管束病原真菌，要不住在土里，要不住在维管束里，还产生了一个抗药性很强的一个结构，所以农药对它来说，真的是鞭长莫及。而且生产上的棉花，还没有什么抗性资源。

那么我们就问了，是不是有什么方法，可以来对抗这么一个植物杀手呢？人类跟病原真菌的战争，从来就没有停息过。大家看左边的这个图，知不知道它是什么？这是新疆维吾尔族果园里面的一个人工鸟窝，是最早用来防治病虫害的植保方法，至今还在沿用。植物病虫害的防控，主要还是依靠农药，有化学农药、生物农药。早期化学农药在植物防治，病虫害上面，应该是功不可没的，比如说新烟碱类的杀虫剂，蚜虫在一定时间得到了很好的控制。但是随着20多年来的高频使用，现在蚜虫普遍产生了很高的抗药性。看这个科学杂志上，各国农药使用量的这个图，大家有没有觉得，我们的世界就像一个农药星球一样，而且每年的使用量还在不断地上升，这就给人民的健康和生态环境，带来极大的隐患。

我的实验室长期研究的就是植物抗病毒的RNA干扰，什么是RNA？我们都知道细胞里面的遗传物质DNA，从DNA到蛋白是要经过RNA来传递遗传信息的，所以RNA也是一个带有密码的遗传物质。当它的使命完成了，就要被清除掉，细胞里面就可以产生一种小RNA，每个小RNA的密码是不一样的，但是它们不产生蛋白，它们能够去抓住跟它能够相匹配的那个RNA然后把它切断，这就叫RNA干扰，是一种精准的打靶。我们就想既然不能再提高棉花的抗性，来抵抗这个病原体，那么我们能不能通过打靶来降低这个病原菌的致病率呢？为了去探讨这样的可能性，我们就利用真菌能够生出根外这么一个特性，把这些生出来的菌丝，给收集起来去做检验。

有一天我的博士生张涛，就特别兴奋地跑过来告诉我，他在真菌里面检测到棉花的小RNA，也就是说棉花里面的小RNA，跑到真菌细胞里面去做客了，而且还把人家的RNA给剪了。这是国际上首次发现的，自然界存在的，从植物到真菌的跨界RNA干扰。有了这样跨界打靶的基础，我们就研发，是不是有跨界打靶的技术。我简单介绍一个例子：比如说我们先到真菌里面去寻找，哪一个RNA是负责产生侵染钉的，或者是哪个RNA是负责这个侵染钉的强度的。那么这样我们就可以针对这些RNA，来制造一些人工的小RNA，也就是这些密码剪，然后装备到这个棉花上去。当这个病原菌来侵染棉花的时候，这些小RNA，就会被送到这个病原菌里面去，去寻找它各自匹配的RNA来进行定点的精准的打靶，来抑制病原菌的致病率。

图上给大家显示的是4个带有跨界打靶能力的RNAI棉花，大家可以把它叫成“RNA爱棉花”。在实验室和在病田里面，我们都鉴定了，这4个棉花有比较良好的抗病性。为使得这个研究更加接近地气，2017年我又回到了新疆，在高峰的帮助下，我们在新疆建立了田间工作站，在病土里面，我们一代一代地去检验，我们这些棉花的抗病性，有些棉花是可以提高到20%，有一些提高到50%的抗病性。现场的行业内的权威专家，看了我们的工作后，给予我们的工作极高的评价。他们认为我们的工作是，从基础研究驱动行业，突破技术瓶颈的典范，是为棉花黄萎病的可持续防控，打开了希望之门，迈出了具有里程碑意义的一步。中央电视台，还有世界科技新闻发布平台，还有一些国内外其它的主流媒体，也对我们的工作进行了大量的报道和评述。

我更加高兴的是我们这些工作，大大地鼓舞和吸引了高峰，现在他又再次加入了我的团队，参加研究。最近我们就发现，这个病原菌，能够利用侵染钉跟植物紧密接触的特性，形成一个非常有效的分泌通道，把这个病原菌的很多小蛋白分泌到植物上面来。高峰最近的一个发现就是，有一个效应蛋白，去抵抗植物的免疫抗性的一个全新的作用。

最近我有另外一个学生，就发现有一个效应蛋白跑到植物的细胞里面去，竟然是去抑制小RNA的产生。所以这真就是叫：“道高一尺 魔高一丈”。小RNA和效应蛋白，就像植物和病原菌，在攻防战中跨界博弈的兵和卒，我们现在正在努力地一点点地去撬开，植物和病原菌无间道的这个黑箱。希望通过更深层次的去了解植物和病原菌，这些跨界的信息和它们的作用，来指导我们进行更多的人工的模拟和抗病的操纵，从而来研发新一代的跨界RNA技术。

RNAI棉花作为一个新事物，要得到大面积的应用，还有很多事情要做，目前我们就跟行业里面的专家进行合作，对RNAI棉花的稳定性、安全性、培育有突破性棉花的品种，进行广泛的研究。最近联合培养的，具有优良综合性状的棉花品系，正在严格按照国家新品种审定的各个流程在进行推进，希望在不久的将来，能够真正的为棉农排忧解难。

这几年我和我的团队，几乎跑遍了新疆各个棉花的种植园区，每到一处，深受棉花黄萎病困扰的棉农都会围绕我们，不停地诉说棉花黄萎病给他们带来的伤害。这个时候我们就能更加的体会到：科研要面向国民经济主战场，科研成果应该不仅仅是写在纸上，更应该写在大地上，这些话的分量。

绿色植物是人类在这个地球上赖以生存的基础，保护植物健康、建立绿色的、可持续的病虫害防控体系意义重大。2020年3月份，国务院就签署了国务院令，公布了《农作物病虫害防治条例》。联合国也把2020年定为“国际植物健康年”。我们的跨界抗病RNA，应该是对传统防控体系的一个重要的补充，尤其是对那些没有抗病资源的作物，抗病RNA干扰，应该是更能显示它的优势。

我们希望利用跨界RNA干扰技术，进行棉花抗病种子资源创新体系，能为其它的作物防控土传病害，提供一个有价值的借鉴，为我国农业生物安全，提供新的技术支持和保障。