研究植物病害防治的新成果
（一）探索植物病害防御机制的新信息
1．研究植物防病应答机制的新发现
发现植物会通过“断粮”击退病原体。[1]2016年11月，日本京都大学等机构组成的一个研究小组，在《科学》杂志网络版上发表论文称，他们发现，植物在感染病原体时，会通过减少病原体可获取的糖分这种“断粮”的方式，来进行自我防御。这一发现，有望用于开发帮助植物抵御病原体的新型农药。
细菌等病原体侵入植物时，会吸收植物光合作用时产生并蓄积的糖分。日本研究人员发现，拟南芥叶内部有一种蛋白质，能将细胞外部糖分输送到内部。在细菌等病原体入侵时，拟南芥会启动防御应答机制，这种蛋白质的作用就会变强，将细胞外部的糖分回收到内部。这相当于植物通过给细菌等病原体“断粮”，来达到防御目的。
在实验中，研究人员人为破坏了这种蛋白质的作用，发现细菌数量大幅增加，拟南芥的患病情况较为严重。研究人员认为，这一机制应该也存在于其他植物中，该发现将有助于研发帮助植物抵御病原体的新农药。
2．研究病菌突破植物防御机制的新发现
⑴发现病菌能通过伪装逃避农作物的防御机制。[2]2005年12月20日，英国西英格兰大学微生物学家道恩·阿诺德、安德鲁·皮特曼及其同事组成的研究小组，在《现代生物学》杂志上发表研究报告称，他们近日发现了一种常见农作物病菌逃避植物防御机制。当入侵的病菌面临宿主植物反抗时，它们会通过放弃自身的遗传标记来伪装自己，从而为接下来的致命传播创造条件。
通常所说的晕圈疫病病菌，能够传染豆科农作物。这种病会使植物的叶子长得很小，同时在叶面上出现一个由水浸的污迹构成的黄色晕圈。作为植物防止传染的一种应对机制，被传染部位周围的组织都会死亡，从而避免枯萎病进一步蔓延。然而这种策略往往难以奏效，并且随着细菌从一片叶子向另一片叶子的传播，它们的毒性也会随之增强。在某些情况下，一株被传染的豆科植物能够造成非常严重的疫情。
为了搞清晕圈疫病病菌到底如何逃脱植物的防御机制，该研究小组模拟了一次晕圈疫病的暴发。研究人员把健康的植物枝叶暴露在病菌下，等待植物对其做出反应，随后再从另一批被传染的健康植物中采集这些病菌。在经过5次反复之后，植物将不再保护自己免受病菌的侵袭，同时出现了大量的组织凋亡。
遗传分析显示，晕圈疫病病菌能够迫使一种分子失去作用。当察觉植物做出响应之后，病菌会敲除一部分基因组，而这部分基因组形成的蛋白质正好能够被植物所识别。这些脱氧核糖核酸（DNA）转移到细胞质中，在这里形成一些不活跃的环状链。阿诺德表示，这是植物致病细菌机制的第一个例证，但她同时指出，在动物中传播的病菌也有类似的肮脏把戏。然而奇怪的是，在失去了一部分基因后，这些病菌似乎依然活得很好，至于它们为什么没有变得更糟尚不得而知。
华盛顿哥伦比亚特区美国农业部国家植物园的微生物学家徐惠迪认为，这一发现证明了植物和病原体能够以不同的方式共同进化。而英国诺里奇市塞恩斯伯里实验室的生物学家乔纳森·琼斯就表示，晕圈疫病病菌独特的传播方式能够保证它增大宿主的范围，同时进攻其他种类的植物。
⑵发现真菌病原体能利用蛋白质绕过植物的防御机制。[3]2022年4月，美国农业部谷物豆科植物遗传生理学研究部植物病理学家陈卫东负责，华华盛顿州立大学植物病理学系副教授田中究等参加的一个研究团队，在《自然·通讯》杂志上发表研究成果称，他们近日发现，一种蛋白质能让600多种植物中导致白霉茎腐烂的真菌，克服植物的防御机制。
对这种名为SsPINE1的蛋白质的了解，可帮助研究人员开发新的、更精确的控制系统，用于控制攻击马铃薯、大豆、向日葵、豌豆、扁豆、油菜和许多其他阔叶作物的菌核菌。在严重暴发的一年，菌核菌造成的损失可能高达数十亿美元。
一种名为核盘菌的真菌，通过分泌多聚半乳糖醛酸酶导致植物腐烂和死亡，这种化学物质会破坏植物的细胞壁。植物通过产生一种阻止或抑制真菌多聚半乳糖醛酸酶的蛋白质来保护自己，该蛋白质标记为PGIP，于1971年发现。从那时起，科学家们已经知道一些真菌病原体有办法克服植物的PGIP，但他们无法识别它。
陈卫东说：“本质上是真菌病原体与其植物宿主之间持续的军备竞赛，一场激烈的攻防之战，其中每一方都在不断发展和改变其化学策略，以绕过或克服对方的防御。”
研究人员说，识别蛋白质SsPINE1的关键，是在真菌细胞之外寻找它。他们通过观察真菌排泄的物质发现了它。为了证明蛋白质SsPINE1是让菌核菌绕过植物PGIP的原因，研究人员在实验室中删除了真菌中的蛋白质，这大大降低了它的影响。
田中究表示：“它回答了科学家在过去50年中提出的所有这些问题：为什么这些真菌总能绕过植物的防御系统？为什么它们的宿主范围如此广泛？为什么它们如此成功？”
蛋白质SsPINE1的发现，为研究控制白霉菌茎腐病病原体开辟了新途径，包括更有效、更有针对性的育种，以使植物对菌核病具有天然抗性。研究团队已经表明，其他相关的真菌病原体使用这种反策略，这只会使这一发现变得更加重要。
（二）探索植物病害防治的其他新信息
1．研究植物病害产生原因的新发现
发现昆虫会催生农作物病害黄曲霉毒素。[4]2017年12月19日，美国康奈尔大学植物病理学家米奇·德罗特领导的一个研究团队，在《英国皇家学会学报B卷》上发表研究报告称，他们已经证明，昆虫会刺激黄曲霉并使其生成黄曲霉毒素，这也意味着应该让昆虫远离食物供给的世界。
黄曲霉生长于从水稻到玉米和坚果的一系列农作物上，会对农业生产造成严重危害。它能产生一种称为黄曲霉毒素的毒素，被这种毒素污染的粮食可能会延缓儿童发育，进而阻碍他们的生长。该毒素也会导致肝癌，暴露在高浓度的黄曲霉毒素下甚至会致人死亡。除了对人类的健康造成危害之外，黄曲霉毒素还会对食用这些农作物的农场动物产生影响。据估计，仅在美国每年就造成约2.7亿美元的农业损失。而在发展中国家，这一成本会更高。
黄曲霉毒素可能也会在能量和营养方面给真菌造成损失。但由于超过2/3的黄曲霉都能产生黄曲霉毒素，因此研究人员认为，这种毒素必然在某种程度上帮助了真菌。为了摸清为什么只有一些黄曲霉会产生黄曲霉毒素，该研究团队对果蝇进行了研究。
果蝇和真菌利用相同的植物作为繁殖区，并且吃同样的食物。果蝇幼虫偶尔也会以真菌为食。因此，研究人员认为，这些昆虫可能会促使黄曲霉产生黄曲霉毒素以保护自己及其食物免受昆虫的侵袭。
在最初的实验中，研究人员证实，黄曲霉毒素似乎能够保护黄曲霉对抗昆虫：当他们在果蝇幼虫的食物中加入黄曲霉毒素后，这些蛆虫相继死亡，而真菌则茁壮成长。但是，这种真菌的生长，只发生在当幼虫在周围的时候。一旦幼虫不在了，真菌便停止生长。
研究人员指出，与缺乏幼虫时相比，当幼虫在周围时，真菌的毒性会变得更强。而且与没有幼虫时相比，真菌在幼虫出现时也会产生更多的毒素。研究人员认为，所有这一切都表明，当昆虫出现的时候，黄曲霉毒素也会出现。
然而，没有参与这项研究的德国不莱梅大学进化生态学家马尔科·罗尔夫斯指出，果蝇很少在野外与真菌发生相互作用，而像棉铃虫一样的害虫才是更大的威胁。因此，目前还不清楚这些研究结果是否适用于现实世界。他说：“我们迫切需要模拟野外条件的模型系统。”
尽管如此，德罗特说，他的研究表明，在控制毒素的策略中，与昆虫的相互作用是人们应该开始关注的方向。在其他的方法中，目前针对霉菌的生物控制策略包括用无毒性的真菌来浇田，这样就不会让任何地方被有毒的黄曲霉毒素所侵占。但是，该研究团队的研究表明，潜在的控制方法也应该关注害虫。
黄曲霉是一种常见腐生真菌。多见于发霉的粮食、粮制品及其他霉腐的有机物。黄曲霉毒素是一类化学结构类似的化合物，均为二氢呋喃香豆素的衍生物。黄曲霉毒素是主要由黄曲霉寄生曲霉产生的次生代谢产物，在湿热地区食品和饲料中出现黄曲霉毒素的概率最高。它们存在于土壤、动植物、各种坚果中，特别容易污染花生、玉米、稻米、大豆、小麦等粮油产品，是霉菌毒素中毒性最大、对人类健康危害极为突出的一类霉菌毒素。2017年，在世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中，黄曲霉毒素被列为一类致癌物。
2．开发检测植物病害的新方法
成功研制出快速识别植物黄矮态病毒的新方法。[5]2005年9月，有关媒体报道，俄罗斯科学院生物有机化学研究所一个研究小组，采用老鼠单克隆抗体法，成功研制出检测并识别出植物黄矮态病毒的方法。新方法不仅速度快、效率高，同时也具有良好的经济效益。该科研项目得到了国家科学技术中心的资助。
植物生长过程中发生的黄矮态现象，指的是一种危险的植物病毒的传播，该病毒能使植物变黄变矮，不再发育生长，最终导致农业收成大幅度下降甚至颗粒无收。这种植物疾病在欧洲、美国、澳大利亚等全球许多地方都会发生，病毒的准确名字为大麦黄矮态病毒。实践中，由于这种病毒隐藏在植物的韧皮部，即纤维管系统里，整体上植物中病毒的含量比较小，因此很难被识别。
为此，研究人员采用了老鼠单克隆抗体的方法来检测和识别这种病毒。该方法是先将植物中提取的少量病毒注入实验鼠的血液中，让老鼠体内产生抗体；然后这些抗体会在老鼠内识别病毒，并牢牢地与病毒结合在一起。原则上，研究人员可以直接从老鼠血液中提取抗体，但工作量很大，同时因为抗体是在老鼠的脾脏中形成的，所以获得的抗体也不完全一样。研究人员将这种抗体与另外的特殊老鼠细胞进行杂交。杂交后的细胞能够快速生长和繁殖，从而能够获得大量的抗体。根据抗体的数量可以确定样品中病毒的数量，有了抗体，利用现代所使用的技术就可以识别出病毒的性质。
大麦黄矮态病毒有5个变种，研究人员目前还没有研制出5种不同的测试剂，但对所有的变种能够区分开来。据悉，新方法在实验中获得了成功，与目前使用的方法相比，具有更高的经济效益。
3．研制防治农作物病害的新药物
发现泥炭藓可提取保护农作物的抗病生物制剂。[6]2013年8月，俄罗斯媒体报道，近日，俄农科院农业微生物研究所、俄科学院卡马洛夫植物所与奥地利同行共同组成的国际研究小组，从泥炭藓组织中分离出新的微生物品种，它们能有效抑制高等植物致病真菌和细菌的繁殖，用该微生物制成的生物制剂，可显著提高农作物的抗病性及产量。
世界上各种生物之间是一种共生关系，植物通过与某类微生物的共生获取利益，这类微生物很早就引起人们的注意，因为可以通过对这类微生物的研究获得农作物的高产。
泥炭藓具有抵御真菌和细菌的独特能力。研究人员借助于荧光标记杂交和共聚焦激光扫描方法，通过观察泥炭藓，发现并分离出聚集在苔藓叶片透明细胞内壁的300余株微生物。
研究人员通过对它们DNA、菌落形态以及不同培养基上繁殖能力的分析确定，发现的微生物新品种中，很多属于洋葱伯克霍尔德菌属，假单胞菌属，黄杆菌属，沙雷氏菌属等。发现的微生物品种中超过半数能有效消灭镰孢属的真菌，三分之一能抑制植物中常见的致病细菌的繁殖，有一些具有双重功效，6株微生物有效促进植物的生长，还有一些能吸附磷，也就是说理论上能促进植物对磷的吸收。
研究人员试着将这些微生物，移植到一些作物的根际土壤中，结果显示，部分微生物能较好地与小麦和番茄的根部共生，形成菌落或生物膜，为作物提供天然病原体屏障。
研究人员选择出10个最有前景的微生物菌株，并将用其制成的生物制剂同番茄种子混合，试验显示，混合微生物制剂的番茄相对于未混合的生长较快，生物质增加10%～80%。同样在小麦试验中，该生物制剂使小麦对真菌的抗病性提高了50%。
4．培育抗病农作物的新进展
有望培育抗病而不影响产量的农作物。[7]2022年8月，美国杜克大学一个由生物学专家组成的研究团队，在《细胞》杂志发表论文称，植物经常受到细菌、病毒和其他病原体的攻击。当植物感知到微生物入侵时，其细胞内的蛋白质化学汤，也就是生命的主力分子中会发生根本性的变化。他们在这项新研究中，揭示了植物细胞中重新编程其蛋白制造机制以对抗疾病的关键成分。
每年因细菌和真菌病害而损失的作物产量达15%，约合2200亿美元。植物依靠它们的免疫系统来进行反击。与动物不同，植物没有专门的免疫细胞将血流送达感染部位。植物中的每个细胞都必须自己挺身而出奋力保护自己，迅速进入战斗模式。当它们受到攻击时，会将优先级从生长转移到防御，细胞开始合成新蛋白质并抑制其他蛋白质的产生。然后在2～3个小时内，一切恢复正常。
细胞中产生的数以万计的蛋白质从事许多工作：催化反应、充当化学信使、识别外来物质、将材料移入和移出。为了构建特定的蛋白质，包装在细胞核内的DNA中的遗传指令被转录成mRNA信使分子。然后这条mRNA链进入细胞质，在那里核糖体“读取”信息，并将其翻译成蛋白质。
2017年的一项研究发现，当植物被感染时，某些mRNA分子比其他分子更快地转化为蛋白质。这些mRNA分子的共同点是RNA链前端的一个区域，其遗传密码中有重复的字母，腺嘌呤和鸟嘌呤在该区域一遍又一遍地重复。
在新研究中，研究团队展示了该区域如何与细胞内的其他结构协同工作，以激活“战时”蛋白质的产生。研究表明，当植物检测到病原体攻击时，通常指示核糖体着陆和读取mRNA的起点分子标志被去除，这使细胞无法制造其典型的“和平时期”蛋白质。相反，核糖体绕过通常的翻译起点，使用RNA分子内重复出现的As和Gs区域进行对接，并从那里开始读取。
研究人员表示，对于植物来说，对抗感染是一种平衡行为。将更多资源分配给防御，意味着更少的资源可用于光合作用和其他生命活动。产生过多的防御蛋白会造成附带损害：免疫系统过度活跃的植物生长迟缓。
通过了解植物如何达到这种平衡，研究人员希望找到新的方法来设计抗病作物而不影响产量，并用拟南芥进行了大部分实验。但在果蝇、小鼠和人类等其他生物体中也发现了类似的mRNA序列，因此它们可能在控制植物和动物的蛋白质合成方面发挥更广泛的作用。
