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[植物病原菌專題]進擊的小麥!抗病基因v.s. 小麥莖鏽病菌Ug99

編譯 / 威.法

小麥莖鏽病(stem rust)是一種由真菌所引起的可怕病害。被這種真菌感染之後的小麥會產生褐鏽色的病斑,進而重創產量。不過現在科學家已經找到可以讓小麥產生抗病能力的基因了!

來自加州大學戴維斯分校(University of California in Davis)、同時身兼霍華休斯醫學研究中心(Howard Hughes Medical Institute )以及戈登貝蒂摩爾基金會(Gordon and Betty Moore Foundation)研究員的喬治 • 道博考夫斯基(Jorge Dubcovsky),與堪薩斯州立大學(Kansas State University)的艾杜爾 • 阿卡哈諾夫(Eduard Akhunov)在五年的合作研究之後,終於從野生的小麥身上找到了抗病基因。這項研究已於今年的六月發表在《科學》(Science)網路版雜誌上。

小麥莖鏽病。被感染的小麥會在麥桿、葉鞘、葉芒產生褐鏽色的病斑,嚴重降低小麥產量。圖片來源:美國農業部農業研究服務組(Agricultural Research Service, USDA)

小麥莖鏽病一直以來是麥農的天敵。真菌的孢子從罹病麥桿上褐鏽色的病斑內湧出,然後隨著風蔓延在一片又一片的麥田裡。美國最近一次的傳染病大爆發是在一九五O年代,當時小麥莖鏽病菌造成了春麥百分之四十的產量損失。科學家為此育出了帶有些微抗性的小麥品系。

然而好景不常,科學家於一九九九年在烏干達(Uganda)發現了一種新型的小麥莖鏽病菌,並以其發現地以及年份,命名為 Ug99。Ug99可以感染以往具有鏽病抗性的所有小麥品系,目前已從南非擴散到伊朗。「Ug99現在來到了印度旁遮普(Punjab)的門口,這一代可是亞洲麵包的搖籃。」道博考夫斯基說。「世界上九成以上的小麥都會被這株莖鏽病菌感染。」

植物學家想利用新的抗病基因來對付Ug99。他們發現澳洲科學家在一九八四年找到的一種野生小麥中,帶有一個具有抗病能力的基因 Sr35(Sr 代表著 Stem rust 35。)科學家於是將帶有Sr35基因的區域殖入麵包小麥,但卻因為這段基因序列太長,而且參雜一些有缺陷的基因,因此在推廣成農用品系上有許多障礙。然而更不幸的是,科學家遲遲無法找到這個抗病基因的精確位置,他們無法把這個抗病基因單獨分離出來。

時間來到了五年前,道博考夫斯基和阿卡哈諾夫下定決心要找到這個抗病基因,要把它從帶有缺陷基因的序列中分離出來,並了解其抗病機制。科學家首先進行了雜交實驗,讓感病的小麥和帶有Sr35基因的抗病小麥雜交,然後從數以千計的小麥子代基因體中,篩選總是連結著對Ug99具有抗性的基因區間。從基因體上精細的分析,他們追蹤著DNA序列上的蛛絲馬跡,而這些序列最後引領著他們找到了四個基因。

那麼到底是哪一個基因讓小麥有了抗病能力呢?科學家比較了許多野生小麥的基因序列。這些野生小麥有些也有抗性,但有些則是感病。最後他們發現在這四個基因之中,只有一個基因總是出現在有抗病能力的小麥中,而且總是不存在於感病的小麥。科學家將這個命名為CNL9的基因轉殖到感病小麥,終於獲得了阻止Ug99感染的抗病能力。而且如果將抗病小麥的CNL9基因突變,抗病小麥就會變成感病小麥。這些結果讓道博考夫斯基和阿卡哈諾夫可以大聲呼喊:「我們找到了!」

CNL9基因,或稱作Sr35基因,屬於植物抗病基因的其中一類。這一類的抗病基因就像動物的抗體一樣,能夠辨識入侵者,並通知植物細胞開始反擊。市面上的農用小麥品系帶有很多這類的抗病基因,但是大部分都沒有能力去辨識Ug99或類似的真菌。

在另外一篇發表於《科學快訊》(Science Express)的相關文獻中,來自澳洲科學與工業研究組織(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization)宣布了他們找到另一個小麥莖鏽病的抗病基因,命名為Sr33。現在科學家手上有了Sr33和Sr35兩大武器,他們可以直接將抗病基因轉殖到小麥身上,再也不會被其他鄰近而且會造成產量降低的基因干擾。科學家們也可以把這兩個基因結合在一起,讓這兩個抗病基因並肩禦敵。

除此之外,道博考夫斯基和阿卡哈諾夫也計畫要研究Sr35基因是怎麼讓小麥躲過莖鏽病的感染。例如,是那一個莖鏽病菌的蛋白被Sr35基因辨識到?這個蛋白是在感染尚未發生之前,還是在進入植物體內後才被辨識到?另外像是Sr35基因開啟了怎樣的免疫系統來對抗莖鏽病菌?對於抗病小麥如何避免感染,科學家們仍是霧裡探花。無論如何,Sr33和Sr35這兩個基因是首先被發現而且定序的抗小麥莖鏽病抗性基因。「我們可以開始了解疾病是如何發生的。」道博考夫斯基說。「如果我們能夠了解這些機制,未來也許我們能夠人工合成全新的抗病基因。」

資料來源:Newly Identified Gene Protects Wheat Plants from Devastating Infection

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