油菜产业140年难题，“肿”么办？
油菜、白菜、甘蓝、萝卜是大众最熟悉的十字花科作物，也是食用油和蔬菜的主要来源，然而它们都受到同一种毁灭性病害——根肿病的威胁。
根肿病在全球超过80个国家和地区的蔬菜产业中流行，病菌可在土壤中存活10年以上，苗期发病甚至可造成绝收。令人意想不到的是，根肿菌非常独特，它既不是真菌、卵菌，也不是细菌，而是一种具有动物行为的低等单细胞真核生物。
从发现根肿菌至今的140年来，如何高效持久防控十字花科根肿病，是困扰全球科学家的一道难题。
9月1日，中国农业科学院油料作物研究所研究员刘胜毅、刘立江团队在《自然-遗传学》发表重要成果，首次报道了由感病基因GSL5介导的根肿病隐性广谱抗性，并创制出广谱高抗（免疫）根肿病的油菜、白菜、甘蓝新种质，揭示了其作用机制，为植物与病原间互作提供了新的理论认识。
论文通讯作者刘胜毅告诉《中国科学报》，根肿病是十字花科作物共性、重大、毁灭性土传病害。自2010年以来，油菜根肿病在我国长江流域冬油菜主产区扩散迅速，目前已大范围流行，每年发病面积超2000万亩，经济损失达数百亿元。
“发掘和利用抗根肿病种质和基因资源进行抗病育种，是控制油菜根肿病最经济有效的措施。尽管我国油菜抗根肿病育种已取得显著成效，但存在抗病位点/基因抗谱窄、育种周期长等问题，生产上由于根肿菌生理小种变异而导致抗病品种抗性丧失快。因此根肿病高效持久防控是世界难题。”刘胜毅说。
“最难的是人们对根肿病病原太陌生。”论文共同通讯作者刘立江说。与其他已知病原菌不同，根肿菌可以寄生在植物细胞内，但它和植物之间相互作用的分子机制尚不清楚。
2015年，刘立江接手根肿病研究时对根肿菌一无所知，翻阅资料后才知道，根肿菌属于有孔虫界。
在查找资料的过程中，1972年英国爱丁堡大学终身荣誉教授David S. Ingram发表的一篇关于根肿菌生活史的论文引起刘立江的注意。“这篇论文以实验数据为基础，而其他文献大多是一些猜想。”这给了他很大启发，决定先搞清楚根肿菌独特的生活习性。
利用先进技术手段，2020年，刘立江在《植物病理学》发表基于实验和显微照片的根肿菌生活史研究成果。“了解根肿菌的生活史，是我们攻克十字花科根肿病的基础。”刘立江说。原来，根肿菌能进入植物细胞中，是唯一一类能够在植物细胞内进行寄生的真核病原物。
根肿菌的生活史非常复杂。它在土壤里以休眠孢子的形式存活十几年，萌发后像蝌蚪一样寻找植物的根，刺破细胞壁后完成初期侵染。7天之内，它侵染表皮细胞，并在每个细胞内形成数百个直径仅为2.5微米的游动孢子。之后的17天，这些孢子会侵染根部皮层细胞，并让植物细胞膨大直至爆裂，这也是其症状表现为根部膨大的原因。最后植物受到重创甚至死亡，根肿菌休眠孢子释放到土壤中寻求下一个生命周期。
这是根肿菌自1878年发现至今第一次用确凿实验证明其生活习性，因而在业界引起强烈反响。美国植物病理学会官网专门报道了这一成果，并被美国科学促进会等网站转载。
为攻克根肿病，全世界科学家从未停歇。
仅过去15年，国际上对芸薹属6种作物2554份材料进行了筛选，得到92份抗根肿病材料。其中，黑芥中抗病材料最多，但研究和利用最少；甘蓝抗性多为多基因控制的数量性状，抗性水平较低；白菜抗性均为单显性基因控制的质量性状，具有小种特异性抗性，是目前抗病育种利用的主要来源。
由于根肿菌有非常多的生理小种，不同抗性基因只能对抗某一两个根肿菌生理小种。“广谱或隐性抗根肿病基因十分罕见。”刘胜毅说，他们的目标就是要找到广谱抗根肿病的方法。
多年来，刘胜毅带领团队根据根肿病的世界分布和扩散流行特征，收集了上千份油菜种质资源。2016年开始，刘立江从中挑选数百份油菜种质资源材料，连续3年在全国多个根肿病病区进行抗性鉴定筛选。
“最初的想法是从中找到广谱抗性基因。”刘立江说，然而，其中抗病材料稀少，大部分材料表现感病，而且感病程度各不相同。
这反倒引起刘立江的注意。“是不是某些位点存在‘不完全’突变而导致感病程度差异。”他想，如果反其道而行之，将这些感病基因“去掉”或“关闭”，油菜是否就会获得抗性？
他们利用全基因组关联分析进行检测，结果在油菜A09染色体上重复鉴定出GSL5基因，与油菜根肿病感病性显著关联。
这个GSL5其实是一个编码细胞壁组分β-1,3-葡聚糖合成酶的基因。有研究发现，GSL5缺失突变会增强对白粉病的抗性。它会不会是攻克根肿病的“要塞”呢？
接下来，研究团队就要验证GSL5的基因功能。
“为了尽快出结果，我们选择了同为十字花科的著名模式植物拟南芥来做前期验证实验。”刘立江说。结果发现，拟南芥的诱变突变体、基因编辑敲除突变体对根肿病均表现出高度抗性，而过表达株系则对根肿病高度感病。
在拟南芥中获得的实验结果让研究人员非常振奋，他们进一步在油菜、白菜、甘蓝、萝卜中验证了上述实验结果。结果表明，GSL5在十字花科植物中功能高度保守。
更重要的是，gsl5突变体对根肿菌26个生理小种具有广谱高抗抗性。而且，团队在湖北和甘肃田间小区试验表明，GSL5敲除对油菜生长发育和产量无显著影响。
基于GSL5功能研究和团队所创制的材料，他们还揭示了有趣的病菌与寄主的互作关系，即病菌致病和寄主抗病反应机制。
论文共同第一作者、油料作物研究所已毕业博士生吴钰坡介绍，病菌致病和寄主抗病孰胜孰败似乎取决于次级侵染，也就是根的皮层细胞中，而不是初级侵染，即根的表皮细胞中。
“这不同于其它寄生性病原与寄主的互作。病原分子攻击寄主可能发生在皮层细胞中，而寄主也可能在皮层细胞中启动防卫反应。”吴钰坡说。
进一步实验发现，gsl5抗性依赖于根肿菌侵染诱发的茉莉酸抗病通路激活。同时，茉莉酸可显著提高拟南芥和油菜对根肿病的抗性，降低根肿病病害严重度。刘立江说，未来有可能通过外源施用茉莉酸，来显著提高油菜等十字花科作物对根肿病的抗性。
西北农林科技大学教授康振生告诉《中国科学报》，该成果是十字花科作物感病基因鉴定与利用方面的原创性重要成果，打破了目前油菜、白菜、甘蓝等十字花科作物主要通过种间（内）杂交进行根肿病抗病育种的传统思路，开辟了以基因编辑技术为代表的十字花科作物根肿病抗性改良生物育种新途径，实现了十字花科作物根肿病广谱抗性改良和高效持久防控理论和技术的重大突破，为保障我国优异基因和种源自主可控提供了有力科技支撑。