清華新聞網(wǎng)7月22日電 番茄褐色皺果病毒(ToBRFV)近年來(lái)在全球范圍內(nèi)快速傳播，對(duì)番茄產(chǎn)業(yè)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。該病毒侵染可導(dǎo)致番茄葉片斑駁、畸形以及果實(shí)出現(xiàn)褐色皺縮癥狀，顯著降低產(chǎn)量和品質(zhì)。該病毒傳播途徑多樣，包括機(jī)械接觸、受污染種子及昆蟲(chóng)活動(dòng)等。截至目前，該病毒已在包括中國(guó)在內(nèi)的至少37個(gè)國(guó)家被發(fā)現(xiàn)。然而，栽培番茄中尚未發(fā)現(xiàn)對(duì)ToBRFV具有有效抗性的種質(zhì)資源。
7月17日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉玉樂(lè)課題組在《中國(guó)科學(xué)：生命科學(xué)》（SCIENCE CHINA Life Sciences）期刊發(fā)表題為“Engineering Resistance Genes against Tomato Brown Rugose Fruit Virus（創(chuàng)制抗番茄褐色皺果病毒的抗病基因）”的研究論文。該研究通過(guò)對(duì)抗病基因Tm-22進(jìn)行人工進(jìn)化，獲得了同時(shí)抗煙草花葉病毒（TMV）和新興ToBRFV及其逃逸突變株的功能獲得突變體，為番茄育種提供了重要的廣譜抗性基因資源。
在栽培番茄中，Tm-1,Tm-2與Tm-22是三種已知可賦予對(duì)煙草花葉病毒屬病毒抗性的抗病基因。其中Tm-22編碼的NLR抗病蛋白可識(shí)別病毒運(yùn)動(dòng)蛋白（MP）進(jìn)而激活植物免疫，其提供的抗性已保護(hù)番茄種植長(zhǎng)達(dá)60年。然而， ToBRFV通過(guò)其MP的適應(yīng)性突變，逃避了包括Tm-22在內(nèi)的所有番茄抗性基因識(shí)別，導(dǎo)致現(xiàn)有抗性體系全面失效。
為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)采用人工進(jìn)化策略，聚焦于Tm-22蛋白中負(fù)責(zé)識(shí)別病毒MP的LRR結(jié)構(gòu)域，引入隨機(jī)突變，構(gòu)建了龐大的突變體庫(kù)。通過(guò)在本生煙上進(jìn)行大規(guī)模篩選，鑒定出5個(gè)能夠特異性識(shí)別ToBRFV MP并引發(fā)抗病反應(yīng)的Tm-22功能獲得性突變體。其中Tm-22-S723Y和Tm-22-N744D表現(xiàn)尤為突出。這兩個(gè)突變體在獲得識(shí)別ToBRFV MP能力的同時(shí)，仍保留對(duì)TMV MP的識(shí)別能力（圖1）。
圖1Tm-22-S723Y/ Tm-22-N744D與病毒MP共表達(dá)誘發(fā)抗病反應(yīng)
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將Tm-22-S723Y基因?qū)敕?，獲得了轉(zhuǎn)基因植株。結(jié)果證明該突變體可有效抵抗ToBRFV野生型毒株（ToBRFVE132）。然而，在長(zhǎng)期侵染壓力下，ToBRFV MP發(fā)生了E132K突變，進(jìn)化出可逃避識(shí)別的變異毒株（ToBRFVK132），導(dǎo)致轉(zhuǎn)基因植株抗性被突破。幸運(yùn)的是， Tm-22-N744D能夠有效識(shí)別ToBRFVK132MP，彌補(bǔ)了單一突變體的缺陷。。
為了克服病毒逃逸問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)關(guān)鍵突變位點(diǎn)疊加，構(gòu)建出雙突變體Tm-22-S723Y/N744D。該突變體在轉(zhuǎn)基因番茄中表現(xiàn)出卓越的廣譜抗性：它能同時(shí)抗ToBRFVE132、ToBRFVK132以及TMV三種病毒，即使在同一植株的不同葉片上同時(shí)接種這三種病毒后，植物仍保持健康，檢測(cè)不到病毒侵染，也無(wú)病毒癥狀（圖2）。
該研究通過(guò)人工進(jìn)化“失效”的抗病基因，成功恢復(fù)了其對(duì)新興病毒ToBRFV的抗性，并通過(guò)疊加關(guān)鍵突變，有效解決了病毒快速進(jìn)化導(dǎo)致的抗性喪失問(wèn)題，最終獲得了具有廣譜抗性的抗病新基因。該成果為抗ToBRFV番茄新品種的培育提供了關(guān)鍵基因資源，結(jié)合基因組編輯等技術(shù)，有望加速商業(yè)化抗病番茄種質(zhì)的創(chuàng)制，助力全球番茄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
圖2 Tm-22-S723Y/N744D轉(zhuǎn)基因番茄抗ToBRFV和TMV
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉玉樂(lè)教授為論文的通訊作者，王君竹博士為論文的第一作者。河北農(nóng)業(yè)大學(xué)洪益國(guó)教授、中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所周雪平研究員和楊秀玲研究員、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)李傳友教授和北京市農(nóng)林科學(xué)院李常保研究員等多位老師和同學(xué)對(duì)該研究作出了重要貢獻(xiàn)。該研究工作得到了清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心、國(guó)家自然科學(xué)基金以及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文連接：
http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11427-025-3026-7
供稿：生命學(xué)院
編輯：贠爾茹
審核：周襄楠
