走进扬州大学海南试验基地，一排排青翠的水稻早已抽穗扬花。扬州大学水稻研究项目负责人王舟拿着放大镜穿梭在稻田中，观察叶鞘上的病斑变化。作为首批经过基因编辑“改造体质”并注入“纳米疫苗”的实验组，水稻纹枯病病情指数下降了44%，防控效果达到了化学药剂的68.5%。团队借助“基因编辑+诱导免疫+物理屏障”等协同手段，为水稻穿上了一层“金钟罩”，有望实现水稻纹枯病大规模绿色防治。
揪出水稻流感的“内鬼”基因
纹枯病是一种被称为立枯丝核菌的强腐性真菌感染引起的水稻病害。这种病菌通过土壤、水源和病株进行传播，容易导致水稻结实不良、粒重下降。因其传播范围广、感染性强等特征，一旦暴发就会造成稻田大规模减产。
研究人员正在检查水稻生长情况
“除了化学农药，目前一直没有很好地控制纹枯病的有效方法。”中国工程院院士、扬州大学教授张洪程说，传统的改良土壤环境、改善灌溉与施肥条件等农业防治手段，虽然能够实现纹枯病的“被动防御”，但整体效率低、效果差，且治标不治本。因此，当前我国控制纹枯病的主要手段仍是大量施用化学农药，每年针对纹枯病的化学防治规模远超其他病害。
据了解，我国每年因纹枯病导致的水稻减产超百万吨，因其很难根治，且不用药就会反复出现并严重影响产量的特征，又被称为“水稻重度流感”。
在生物科技飞速发展的今天，纹枯病为何依旧难以根治？原来，在水稻现有种质资源中，人们尚未发现针对纹枯病的主效应抗病基因，很难利用单个微效抗病基因培育高抗病品种。
“基因编辑技术为解决纹枯病危害提供了新思路。”水稻遗传育种专家、扬州大学教授左示敏说，可以通过挖掘并改造某些“感病基因”，获得既增强抗病性、又不影响水稻产量和品质的优异种质。
“感病基因有点像生命体内的‘内鬼’。”王舟说，某些基因在病原菌侵染时，会影响水稻防御系统，放任病菌长驱直入，增加了个体对疾病易感性。
如果能发现并定向消除这些“内鬼”，便能有望实现抗病性的提升。
为了揪出这些“内鬼”，研究团队针对水稻抗纹枯病遗传改良中长期存在的抗性种质稀缺、抗病性状与高产特性难以协同改良等育种瓶颈，进行基因层面的实验分析。3年来，团队利用表达谱芯片、转录组测序等方法，针对上万个水稻基因进行甄别分析，发掘出了一批潜在的“内鬼”基因，为根治“水稻重度流感”奠定了基础。
瞄准病因实施“分子手术”
扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室，基因定量分析仪屏幕上的一组组荧光标记格外醒目。每一个点位都代表着可能影响水稻抵抗纹枯病的特定基因。
“并非所有的‘内鬼’基因都有剔除价值。”左示敏说，能够影响水稻抗病性的基因很多，大部分基因在被剔除后虽可提升抗病性，但通常也会影响水稻的产量、品质等重要性状，如果不加甄别地敲除，在提升抗病性的同时也会降低产量和品质。因此，很多时候，即便找到了一些“内鬼”，却也没有进一步育种利用的价值。
“筛选过程有点像桌游‘狼人杀’。”项目成员王奕文参与了筛选过程。在她看来，精准筛选出抗病基因是一项复杂的工程，团队要从各种真假信息的对比中找到关键“破绽”。
考虑到纹枯病菌主要侵染叶片和叶鞘，团队有针对性地通过大量的特定基因表达分析、组织特异性表达分析、亚细胞定位等系列试验，进一步缩小了揪“内鬼”的范围。
最终，团队发现了OsERF7和PPS-b这两个基因可能是影响纹枯病菌有效侵染，又不影响水稻产量和品质的“内鬼”。“OsERF7基因会在病菌入侵时抑制自身防御系统启动。”王奕文说，OsERF7基因编码的蛋白会抑制植保素合成通路以及抗氧化酶相关基因的表达，降低植物抗病能力以及抗氧化活性。
为了验证实验结论，团队通过基因编辑技术敲除了该“内鬼”基因。结果表明，“分子手术”改良后的突变体水稻植保素合成相关基因表达显著上升，抗氧化酶活性显著增强。在人工气候室的模拟试验中，改良植株叶片病斑面积缩小了32%，病情指数降低21.4%。
经过一系列交叉试验，团队进一步验证了该基因让水稻更易感染纹枯病菌的感病机制，并通过基因编辑技术培育出自带抗病性特征的水稻新种质品种。
搭配纳米疫苗实现绿色防控
王舟在试验田里轻按电动喷雾器，乳白色悬浮液如薄雾般喷洒下来。在基因编辑的基础上，团队进一步研发了纳米疫苗，给水稻防控纹枯病来上一剂“加强针”。
对单个基因进行编辑虽然畅通了植保素的合成通路，提升了水稻的抗病能力，但纹枯病的致病因素很多，只经过单个基因编辑的植株还很难在生产中完全抵御纹枯病的侵害。为此，团队进一步引入纳米疫苗，实现水稻纹枯病的绿色协同防控。
“纳米材料凭借其小尺寸和高比表面积，提供了优化农药制剂和递送模式的新技术路径，推动农药向高效、智能、环保方向发展。”扬州大学农药制剂学专家梁友说，团队基于纳米技术与植物免疫调控机制的交叉融合，成功研发出一种名为MSN-SA的植物纳米疫苗。这种疫苗能够穿透植物表皮蜡质层屏障，激活相关信号通路，助力农作物病害防控从“被动治疗”迈向“主动预防”。
值得一提的是，纳米颗粒分解的生物可利用硅在植物表面沉积形成物理屏障，从而降低了病原菌的侵染率。
“基因编辑‘改造体质’，纳米疫苗‘增强免疫’，两者结合实现了标本兼治。”左示敏介绍着田间试验结果：单独编辑OsERF7可减轻病情指数17.1%，单独使用“纳米疫苗”可降低21.0%，而协同应用后的防控效果跃升44.0%；尤其令人兴奋的是，这一防效达到了化学药剂的68.5%。
“1+1>2”的组合效果让水稻同时获得动态免疫响应和静态结构防御的能力。目前，这种协同防控机制已经在海南开展了大田实验，稻田纹枯病病情平均为4.07级，已接近常规化学农药防治对照，但化学农药使用量却大幅减少80%。正如张洪程评价说：“这项研究开辟了作物抗病改良与生物农药结合研究的新范式，为农作物病害防治提供了新的绿色方案。”
