整整180年前開始的一場馬鈴薯晚疫病席卷愛爾蘭，以馬鈴薯為主食的愛爾蘭人遭受了毀滅性災難，數年間不僅導致百萬人死亡，而且深刻改變了英格蘭治下的愛爾蘭的命運。
如今，這種被稱為“植物瘟疫”的病害仍是全球農業的噩夢——盡管全球用在馬鈴薯生產上的農藥超過70%都用于防治它，但每年仍造成約100億美元損失。
遭受晚疫病侵染的馬鈴薯葉片。受訪者供圖
北京時間10月30日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員黃三文團隊與南京農業大學教授董莎萌團隊合作在《自然》發表論文。該研究構建了全球最大的馬鈴薯抗病基因資源庫，挖掘出三個我國自主知識產權的抗晚疫病基因，并由此提出了基因Plug-in（插件式）抗病育種新策略，為培育持久抗病的馬鈴薯品種開辟了全新路徑。
這項歷時7年的研究，在晚疫病“病窩子”的田間、承載抗病信息的基因組大數據與驗證基因功能的實驗臺之間架起橋梁，為應對全球糧食安全挑戰提供了中國方案。
始于愛爾蘭大饑荒的百年追擊
愛爾蘭大饑荒，俗稱馬鈴薯饑荒，是一場發生于1845年并持續數年的災難。造成饑荒的主要原因是晚疫病侵染造成馬鈴薯大面積腐爛，繼而絕收。馬鈴薯是當時愛爾蘭人的主要糧食來源，這次災害加上許多社會與經濟因素，使得廣泛失收，嚴重打擊了貧苦農民的生計。
大饑荒對愛爾蘭乃至整個歐美范圍的社會、文化、人口產生了深遠的影響。至今佇立在愛爾蘭都柏林的饑荒雕像，真實反映了人們曾經遭受的苦難，提醒人們勿忘歷史。
這場刻骨銘心的饑荒也改變了科學發展的軌跡。“1845年愛爾蘭大饑荒是植物病理學研究的起點。”論文共同通訊作者董莎萌告訴《中國科學報》，正是這場災難，促使人類真正系統研究農作物病害，開啟了現代植物病理學的時代。
然而近200年后的今天，馬鈴薯晚疫病仍是聯合國糧農組織認定的全球重大農作物病害之一。“某種程度上，這是因為造成馬鈴薯晚疫病的是致病疫霉（Phytophthora infestans），具有獨特的生物學特性。”董莎萌解釋到，“直到19年前，人類完成致病疫霉近親的基因組測序，這才發現這類病原菌并非傳統認為的真菌或細菌，而是一種卵菌——能進行有性生殖的特殊真核生物，例如其細胞壁成分為纖維素而非真菌細胞壁中的幾丁質。”
“這一發現徹底改變了馬鈴薯晚疫病的防治策略，也解釋了為什么傳統防治手段對晚疫病低效的原因。”董莎萌說。
更棘手的是，該病原菌兼具土壤傳播和空氣傳播的特性，這使得它擴散迅速，而且早期不易被發現，一旦發現染病往往已錯過最佳防治時期，需要追加噴施更多農藥。
染病葉片上的斑塊。受訪者供圖
論文第一作者、基因組所副研究員王路遙介紹，致病疫霉的基因組中包含了很多轉座子，這使其極不穩定。“它就像進化賽場上的短跑選手”，王路遙比喻道，“通過轉座子的跳躍實現快速變異，導致一些已經找到的抗病基因相繼失效。”
大約百年前，荷蘭、英國和美國等國研究人員就已經有意識地將抗病基因從野生馬鈴薯導入到馬鈴薯栽培品種中。目前全球已克隆的20多個抗晚疫病基因均來自國外團隊，但部分抗病基因在馬鈴薯產業中已失效，另一些抗病基因距離真正應用尚需時日。
“由于致病疫霉的基因組結構復雜，變異迅速，目前農業育種中使用的抗病基因正快速失去功能，亟待進一步挖掘新的晚疫病抗性基因資源。另一方面，傳統馬鈴薯育種依賴四倍體品種，遺傳背景復雜，即便找到了候選抗病基因，也難以有效聚合到新材料中去。”論文共同通訊作者黃三文告訴《中國科學報》，中國農科院聯合國內外優勢單位發起的“優薯計劃”，提出以二倍體替代四倍體、以雜交種子替代薯塊繁殖的策略，從根本上變革馬鈴薯的育種和繁殖方式。而晚疫病抗病育種正是“優薯計劃”的重要研究方向之一。
到“病窩子”里搞科學攻堅
做抗病研究的一般思路是從眾多候選材料中篩選出有抗病性的種質資源，再從這些材料中尋找抗病基因。在“優薯計劃”的支持下，他們開始尋找做篩選實驗的地點。
云南、湖北的山地，氣候冷涼多霧，特別適宜致病疫霉的生存，是全國著名的馬鈴薯晚疫病高發區，俗稱“病窩子”，也是考驗抗病基因的天然試驗場。
在“病窩子”里建立實驗田。受訪者供圖
“這些地方真不用像在實驗室里那樣接種病原菌。材料一旦置于田中，就會自然受到當地毒性變異劇烈的晚疫病病原菌群體的侵襲。這種環境是實驗室難以模擬的。在‘病窩子’里能頂得住的品種，在全國才有希望。”董莎萌團隊決定在此設置“最嚴考場”：讓97份馬鈴薯材料直接暴露于自然環境下，面對多種病原菌小種的圍攻，希望能從中篩選出抗病材料。
這種設計確保了篩選出的抗病材料能夠經受真實農業環境的考驗。
放養在“病窩子”里的馬鈴薯材料，田間表現各異，有的高度抗晚疫病，有的高度感病，還有的中規中矩。“到底抗病程度如何，我們必須下田一個個仔細觀察。”自2018年起，董莎萌每年都要去實驗基地親自查看每一份馬鈴薯材料。
黃三文說，由于很多野生馬鈴薯材料不能和栽培馬鈴薯雜交，即便在里面找到了抗病基因，也難以在育種中使用。所以這97份材料都滿足一個關鍵前提——可與栽培馬鈴薯雜交，這一設計避免了前人“有抗病基因卻用不了”的困境。
經過“病窩子”田間天然病原的高壓“試煉”后，候選材料還要在實驗室里接受人工接種驗證。經過多重篩選，最終獲得7份高抗材料。“這些材料在大田里不施農藥依然保持抗性，說明其抗性經得住田間考驗，具有穩定性。”王路遙說。
“傳統育種要構建龐大的雜交群體，在若干代后代中篩選抗病性狀突出的植株，從中定位抗病基因。然而常見的四倍體馬鈴薯基因組復雜，其無性繁殖的特性讓這種傳統方法舉步維艱。”董莎萌說。
他和黃三文都堅定地相信，基因組大數據能幫他們另辟蹊徑。
“和傳統的方法不同，我們選擇直接尋找基因組的‘蛛絲馬跡’。”黃三文道出了研究的關鍵創新——直接利用先進的基因組學技術，通過篩選出來的抗病材料，從海量基因數據中尋找規律和答案。“我們沒有構建傳統雜交群體，而是大膽利用野生材料基因組直接進行關聯分析。”黃三文說，這種創新方法大大縮短了基因克隆周期。
論文共同第一作者、基因組所已畢業博士生李宏博介紹，通過對這些高質量基因組的分析，他們構建了包含近4萬個潛在抗病基因的資源庫，這是目前植物界最完整的馬鈴薯晚疫病抗病基因地圖。
在這張“地圖”的指引下，他們成功找到了三個全新的抗晚疫病基因。
其中第二個基因名為Rpi-cjm1，是第一個被發現的能夠抵抗晚疫病的“TIR”類型基因。這與之前世界上已經發現的20多個抗晚疫病基因完全不同。Rpi-cjm1的頭部含有一個特殊的酶活中心，它能催化底物產生特殊的免疫信號。這相當于打開了一扇全新的抗病大門，為馬鈴薯抗病育種提供了前所未有的基因資源。
而第三個基因Rpi-brk1則更具新穎性。它就像一個自帶特殊“插件”的智能設備。以往的抗晚疫病基因結構相對固定，而這個基因在標準結構之外，還額外攜帶了一個被稱為“HMA”的功能模塊，團隊成員稱其為“插件”。HMA像殺毒軟件的識別庫，能夠直接識別并結合病原菌的關鍵部位，從而激活植物的免疫系統。
用“雷達”掃描抗性基因海洋
“它不僅為我國帶來了具有完全自主知識產權的抗病基因資源，更重要的是，它探索出了一條針對馬鈴薯這種不便于傳統遺傳育種作物的新研究范式——即依靠基因組大數據分析來直接、高效地挖掘關鍵基因。”黃三文說。
這或許是打動期刊編輯的主要原因。不過，他們沒有停留在機理解析的層面，而是大膽的往前邁了一步。
既然“插件”HMA能夠精準識別致病疫霉，他們猜測，給已經失效的抗病基因加上這個插件，會不會重獲抗性？
在我國種植的馬鈴薯中，有一個晚疫病抗病基因R1自上個世紀起就由于病原菌的變異而失去了抗病性。當他們嘗試將Rpi-brk1的HMA“插件”安裝到R1上，這個本已失去抗性的基因竟然重獲新生，再次獲得了有效抗病能力。實驗中，改裝后的R1基因成為了一個新的抗病基因，不但保持了對原來病原物蛋白AVR1的識別，還獲得了新的識別譜。“如果把抗病基因比作手機，我們就是找到了即插即用的功能模塊。”黃三文說。
“插件式”策略的提出，更是為未來設計廣譜、持久抗病的作物品種提供了充滿想象力的全新方案，意味著未來科學家或許能夠像拼裝樂高積木一樣，通過基因編輯技術精準地給作物安裝上不同的抗病“插件”，從而更主動靈活地應對不斷變異的農作物病害。
這是一次在作物中通過“插件”實現抗性改造的重要嘗試和驗證。團隊發現，馬鈴薯中約有1500個抗病候選基因攜帶不同類型的“插件”結構域。“未來我們夢想根據病原菌變異趨勢，提前設計抗病插件，實現精準預防。”董莎萌描繪了應用前景。
“我們的工作只是揭開了冰山一角。”董莎萌表示，團隊已合作開發出基于機器學習的抗病基因預測模型，未來將結合AI技術，實現對插件結構域的定向進化改造，使其能夠識別更多種類的病原菌信號分子。“不再用‘釣魚法’一個個找基因，而是用‘雷達’掃描整個基因海洋，用‘導彈’去精準追蹤病菌。”
正如論文審稿人所評價的：這項研究為馬鈴薯抗病基因的進化與功能提供了寶貴見解，構建了新型抗病基因挖掘的研究框架，對培育新型抗晚疫病馬鈴薯品種具有重要價值。
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09678-5
本文鏈接：中國科學家給馬鈴薯裝上“殺毒軟件”http://www.sq15.cn/show-11-27671-0.html
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