2023
01/04
相关创新主体

创新背景

每年有多达40%的全球作物产量因害虫和病原体(如细菌,病毒和其他致病微生物)而损失,在加拿大,即使没有重大疫情,前五大作物的病原体每年也造成了约32亿美元的损失。

 

创新过程

通过关注病原体可用的近乎无限的疾病相关基因库和植物可用的防御能力,多伦多大学的一组研究人员成功地测试了一种新策略,以识别遗传资源,以对抗细菌,真菌和病毒等植物病原体,这些病原体感染和破坏了全球粮食作物。

植物抵御病原体攻击

研究的目的是知道相对长寿的植物抵御快速进化的致病病原体和使植物受到高度多样化的病原体的持续攻击的原因以及这些疾病罕见和驯化的作物物种比野生物种更容易受到病原体的攻击的原因。

研究通过专门询问单一植物如何能够抵抗常见的细菌作物病原体的攻击来解决这些问题。他们通过首先表征一类重要的病原体蛋白(称为效应子)的全球多样性来做到这一点。效应子因为它们进化到增强病原体攻击和感染宿主的能力,在疾病中起着关键作用。植物进化出免疫受体形式的反防御,可以识别某些效应物。

效应器作用

植物能够产生“效应器触发”的免疫反应,如果它携带识别特定病原体效应物的特定免疫受体,通常会阻止感染。这种效应子-受体相互作用被称为基因对基因抗性,是几乎所有农业抗性育种的基础。团队首先对大约500种细菌丁香假单胞菌(P. syringae)的基因组进行测序,这种细菌几乎会导致所有主要作物物种的疾病。

拟南芥植物标本:健康和细菌抗性(绿色),感染和易患病(灰色)。

从这些细菌基因组中,研究确定了来自70个不同家族的大约15000个效应器,然后通过识别代表其全球多样性的530个效应器来降低这种复杂性。接下来,研究人员将所有这些代表性效应子合成并放入一种特别有害的丁香假单胞菌菌株中,该菌株在感染植物拟南芥(A. thaliana)时会引起疾病,拟南芥是一种广泛用于植物生物学研究的常见杂草。通过对每个单独的效应器进行感染,他们看到530个效应器中有多少引发了保护植物的效应器触发的免疫反应。

超过11%的效应器引起免疫反应,并且几乎97%的所有P. syringae菌株携带至少一个免疫诱发效应器。研究还发现了识别这些效应器的新植物免疫受体,并发现几乎95%的丁香假单胞菌菌株可以被两种拟南芥免疫受体阻断。这些结果为植物如何在无情的病原体攻击中生存提供了新的线索。它们还为鉴定新的植物免疫受体提供了一种新方法,这是农业育种中供不应求的遗传资源。

虽然野生植物物种具有多种免疫受体,但由于密集的人工选择,大多数驯化的作物物种已经失去了大部分免疫多样性。新方法能够快速鉴定作物野生亲缘种中的新免疫受体,然后可以通过传统育种将其转移到精英农业品系中,最终创造出具有更强抵抗农业病原体能力的新品种。

 

创新关键点

对数百种细菌丁香假单胞菌(P. syringae)的基因组进行测序,确定来自不同细菌的效应器,利用植物“效应器触发”的免疫反应开辟作物抵御病原体的新策略。

 

创新价值

研究不仅发现了植物如何在无情的攻击中生存的新见解,还开发了一个蓝图,有朝一日可用于保护任何物种的健康用于粮食生产。

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