《Frontiers in Plant Science》：Breeding Tm-1-based tomato rootstocks, resistant to tomato brown rugose fruit virus, to impede soil-mediated viral infections
编辑推荐：
本研究针对全球番茄生产面临的严峻威胁——番茄褐色皱果病毒（ToBRFV），探讨了一种创新的病害管理策略。研究人员通过筛选野生和栽培番茄种质，鉴定出携带Tm-1抗性基因的材料，并成功培育出具有ToBRFV抗性的砧木。通过嫁接实验和田间试验，研究发现抗性砧木能有效阻隔土壤介导的ToBRFV传播，结合抗性接穗可显著降低田间感染率。该研究为应对ToBRFV的快速传播和土壤残留问题，提供了一种基于遗传抗性和嫁接技术的可持续解决方案，对保障番茄产业安全具有重要意义。
想象一下，你最爱吃的番茄，无论是鲜食还是做成酱料，其全球年产量高达1.92亿吨。然而，一种名为番茄褐色皱果病毒（Tomato brown rugose fruit virus, ToBRFV）的“隐形杀手”正在全球番茄田中悄然蔓延。这种病毒不仅可以通过机械接触、种子和土壤传播，还能“潜伏”在上一季作物残留物污染的土壤中，当新一轮番茄苗种下时，便通过根部的微小伤口入侵，建立感染“根据地”，随后再通过田间农事操作引起的叶片摩擦迅速扩散至整个温室。更棘手的是，目前番茄中广泛应用的抗烟草花叶病毒基因Tm-22对ToBRFV无效，导致携带该基因的品种同样感病。染病番茄叶片出现斑驳、黄化、卷曲，果实则出现黄绿斑点、坏死皱缩，商品价值严重受损，可导致10%-70%的减产。尤其是在连作模式下，土壤中的病毒残留成为持续感染的源头，而现有的土壤消毒方法（如使用氯代磷酸三钠）虽能降低风险，却无法完全根除。面对ToBRFV的肆虐，寻找一种可持续、高效的防控策略迫在眉睫。
为了应对这一挑战，一项发表在《Frontiers in Plant Science》上的研究另辟蹊径，将目光投向了番茄丰富的野生种质资源和古老的农业技术——嫁接。研究人员设想，能否利用野生番茄中存在的抗性基因，培育出具有ToBRFV抗性的专用砧木？通过将感病的优质栽培品种（接穗）嫁接在这种抗性砧木上，是否就能为植株根系构筑一道“防火墙”，有效拦截土壤中的病毒，从而保护地上部分的产量和品质？为了验证这一想法，研究团队开展了一系列从种质筛选、抗性机制分析到嫁接验证的系统性研究。
研究者们综合运用了多项关键技术来推进这项研究。首先，他们对97份番茄材料（52份野生种和45份栽培品种）进行了大规模的抗性筛选。方法是人工摩擦接种ToBRFV（叶片接种），随后根据建立的叶片和果实病害严重度分级标准（0-3分）进行症状评分，并计算病害严重度指数（Disease Severity Index, DSI）。同时，利用酶联免疫吸附试验（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA）检测植株体内的病毒含量，以区分真正抗病（无症状且病毒含量低）和耐病（无症状但病毒含量高）的材料。其次，他们利用分子标记（如CAPS标记和SNP标记）对关键抗性基因Tm-1的基因型进行了鉴定，为后续育种提供指导。再者，研究采用了根接种模拟土壤传播的严苛条件，将番茄幼苗的根修剪后浸入病毒汁液，或直接将病毒悬液浇灌于种植坑中，以评估土壤传播路径下的感染情况。此外，嫁接技术被核心应用于验证砧木的保护作用，研究人员创建了多种嫁接组合，包括抗性接穗/感病砧木（RS/SR）、感病接穗/抗性砧木（SS/RR）以及抗性接穗/抗性砧木（RS/RR）等。最后，研究不仅在温室可控条件下进行，还延伸至商业田间试验，在多地点、多生长季评估了不同嫁接组合在实际生产环境中的表现，并通过统计方法（如Tukey HSD检验、t检验、广义线性模型等）对数据进行了严谨分析。
结果部分展示了从基础筛选到应用验证的完整证据链：
校准ToBRFV病害症状严重度分级标准：为了量化抗性，研究首先在以色列Hatsav村的自然感染温室中，系统观察并制定了番茄叶片和果实的ToBRFV症状分级标准（0-3级），为后续精确表型鉴定奠定了基础。
筛选野生番茄种质对ToBRFV接种的抗性：对52份野生番茄材料的筛选发现，多数材料在接种后表现感病。然而，Solanum pennellii ‘LA5240’、S. pennellii ‘LA0716’ 和 S. chilense ‘LA1938’ 三个材料在表现出极低病害严重度指数（DSI<20%）的同时，ELISA检测结果为阴性（吸光值比值低于阴性对照的3倍），被鉴定为对ToBRFV具有抗性。而一些无症状但ELISA阳性的材料（如S. arcanum ‘LA1032’）则被归为耐病。
筛选栽培番茄品系对ToBRFV接种的抗性：对45个栽培品种（包括商品种）的温室筛选发现了9个完全抗病的品系，它们叶片和果实均无症状（DSI=0）且ELISA检测为阴性。这些品系包括‘Rotem’ (G29884)、‘Davis_1’、‘Davis_2’、‘GPT214320’、F3系‘33’以及杂交种‘NBK_20227’、‘NBR_21784’、‘NBR_22’和‘NBM_80’。基因分型显示，所有这些抗性品系都携带Tm-1抗性等位基因（纯合或杂合）。
评估种植于感染周期后土壤中的Tm-22抗性番茄植株的土壤介导ToBRFV感染：在一个大规模温室实验中，将感病番茄品种‘Ikram’种植在上一季ToBRFV感染作物残留的土壤中。21天后，ELISA检测显示这些新植株被感染。而使用3%氯代磷酸三钠处理土壤后，感染率显著下降，但仍有12.5%的植株被感染，这证实了土壤传播的风险以及单一消毒措施的局限性。
分析砧木对ToBRFV接种的抗性：研究测试了17个主流商品砧木以及两个利用抗性材料培育的杂交砧木（‘LA5240 * 4755’ 和 ‘33’）对ToBRFV的抗性。ELISA结果显示，商品砧木全部感病，而两个新培育的砧木‘LA5240 * 4755’和‘33’则表现出完全抗性，与所有商品砧木存在显著差异。
感病砧木的根接种克服了接穗对ToBRFV的抗性：这是研究的一个关键发现。当抗性接穗（如‘NBK_20227’）嫁接在感病砧木（如‘RS-5’）上时，对砧木进行根接种会导致病毒通过砧木向上迁移，最终感染原本抗病的接穗，其ELISA值与感病对照无差异。这表明，即使接穗本身抗病，如果其根系（砧木）感病，植株整体依然无法抵御土壤传播的病毒。
抗性砧木在根接种时阻碍了感病接穗的ToBRFV感染：反之，当感病接穗（如‘Odelia’、‘Shiren’）嫁接在抗性砧木（如‘33’、‘LA5240 * 4755’）上时，对砧木进行根接种，能够有效阻止病毒向上传播，保护了感病接穗，使其ELISA值显著低于感病对照。然而，这种保护作用仅限于土壤传播途径；如果对接穗叶片进行直接摩擦接种，抗性砧木无法阻止病毒对感病接穗的侵染。
在田间试验中，抗性砧木降低了感病接穗的ToBRFV相关果实症状严重度，而感病砧木则增加了抗性接穗的果实症状严重度：田间试验得到了有趣的结果。抗性砧木虽然不能显著减轻感病接穗的叶片症状，但能显著降低其早期果实的症状严重度，这意味着在经济损失最重要的环节——果实商品性上，抗性砧木提供了保护。另一方面，即使接穗本身抗病，如果嫁接在感病砧木上，其果实症状也会比嫁接在抗性砧木上更严重，这突显了健康根系对果实健康的重要性。
在接触常规农事操作的嫁接植株的田间观察中，抗性砧木降低了感病接穗的ToBRFV感染：在2020-2023年于以色列多个地点进行的田间观察中，统计数据显示，采用“抗性接穗/抗性砧木”组合的植株，其ToBRFV感染率最低（平均16.43%），显著低于“感病接穗/感病砧木”组合（94.67%）或未嫁接的感病植株（92.54%）。而“感病接穗/抗性砧木”组合的感染率（约73.33%）则介于两者之间，且在部分试验中显著低于全感病组合，表明抗性砧木在田间也能提供部分保护。
结论与讨论部分对以上发现进行了总结和延伸。本研究成功地从野生番茄S. pennellii ‘LA5240’和栽培品系‘Rotem’ (G29884)中，发掘并利用了Tm-1基因，培育出了对ToBRFV具有抗性的专用砧木（‘LA5240 * 4755’ 和 ‘33’）。核心结论是：抗性砧木能够作为一道有效屏障，阻碍土壤介导的ToBRFV传播，从而保护嫁接在其上的接穗（无论是感病还是抗病）免受来自土壤的侵染。然而，这道“地下屏障”无法防御通过叶片机械损伤直接传播的病毒。 因此，要实现持久、全面的病害管理，最有效的策略是将基于Tm-1的抗性接穗与抗性砧木结合使用（RS/RR组合）。这种“上下兼防”的策略在田间观察中表现出了巨大优势，能将感染率从感病对照的超过92%大幅降低至16.43%。
该研究的意义深远。首先，它提供了一种切实可行的、基于遗传学和农艺学的ToBRFV综合防控方案，特别是针对难以根除的土壤病毒残留问题。其次，它明确了在利用嫁接技术防控病毒病时，砧木本身的抗病性是成功的关键前提，使用感病砧木甚至可能“拖累”抗病接穗。最后，该研究培育的抗性砧木和接穗材料，以及建立的抗性筛选、评价体系，为番茄抗ToBRFV育种和可持续生产提供了宝贵的遗传资源和理论依据。随着ToBRFV在全球的持续扩散，这种结合了古老智慧（嫁接）与现代遗传学（抗性基因挖掘）的策略，有望为全球番茄产业的稳定发展保驾护航。
