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上海科学家揭秘植物的防卫艺术:少得病和长得好有了平衡点!

来源:新民晚报     记者:郜阳     作者:郜阳     编辑:罗水元     2021-10-01 08:38 | |

图说:何祖华研究员带领学生在田间调查水稻抗病性 采访对象供图(下同)

民以食为天,水稻是我国最重要的粮食作物之一,但近年来,种类繁多的病虫害却在与民争粮。多年来,作物育种学家和病理学家致力于选育广谱持久的水稻抗病品种,但也发现“鱼与熊掌不可兼得”——高抗水稻品种往往生长发育受到限制。

经过长达15年的科研攻关,中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究团队在植物免疫抑制与广谱抗病机理方面取得重大发现。相关成果于北京时间9月30日深夜在线发表于国际顶尖学术期刊《细胞》(Cell)上。

水稻也会“得癌”

不光动物会得病,植物也会。稻瘟病、纹枯病、稻曲病等就好似水稻界的“癌症”,一旦患上,基本就被宣判了“死刑”。更重要的是,像稻曲病菌还会产生环肽毒素,对人畜都有毒害作用,引起肝脏肿大、生殖与泌尿系统等病变。

图说:被水稻稻瘟病菌侵染的水稻

面对“道高一尺,魔高一丈”的病菌,作物育种学家和病理学家一直在努力,选育广谱持久的水稻抗病品种。可他们发现,高抗的水稻往往长得“瘦小”,产量也低——换句话说,得牺牲生长发育为代价来换取“少得病”。

两个问号出现在了何祖华研究团队的脑海中:如何在水稻抗病的同时不影响其产量性状,维持好植物抗病与生长发育的平衡?面对病原菌的不断进化,如何让植物的免疫屏障有效抵御不同病原菌的反复进攻?

何祖华告诉记者,提高作物产量有两大抓手:品种改良、抗病虫。尤其抗病虫的增产效果可达10%以上。“作物抗病育种是控制病害最有效的途径,也是主要的育种目标。”抱着这样的信念,团队经过15年的不懈追踪,终于找到了答案——

他们的研究揭示水稻钙离子新感受子ROD1精细调控水稻免疫,降低水稻因广谱抗病而引发的生存代价,平衡水稻抗病性与生殖生长和产量性状的分子机制。这也是该研究团队继2017年在《科学》(Science)发表水稻广谱抗病新机制后的又一重大进展。

图说:ROD1介导的免疫反应作用模型

高产抗病不矛盾

“我们发现,ROD1作为一个新的植物免疫抑制中枢,通过降解具有免疫活性的超氧分子,从而抑制植物的防卫反应。”团队成员、中科院分子植物卓越中心研究员杨卫兵解释。

在没有病原菌侵染时,植物的基础免疫维持在较低水平,有利于水稻生殖生长,进而提高产量;但当病原菌侵染时,植物进化出了“聪明”的免疫激发新途径:通过降解ROD1减弱其功能,从而保证植物能有效抵御病原菌的“进攻”,不至于在“闪电战”中迅速落败,还能繁殖后代。

不过,病原菌也在琢磨改变“进攻方式”。科学家们发现,水稻稻瘟病菌使了一招“偷梁换柱”——它们进化出模拟ROD1结构的毒性蛋白,在植物体内盗用ROD1的免疫抑制途径,实现侵染的目的。

由于植物无法逃避病原菌的侵染,于是也进化出了与病原菌共同生存的策略:以退为进。通过适当减弱植物的抗病能力,来保证其生长繁殖,延续后代。这种“温水煮青蛙”的“抵抗策略”让病原菌丧失了“进化心”,不再“魔高一丈”,植物抗病性与繁殖能力也来到了一个相对平衡的水准。看,植物聪明吧!

图说:何祖华研究员在田间教学生接种病原菌

研究团队还对近3000种不同水稻品种的基因序列分析,发现ROD1单个氨基酸的改变可以影响其抗性和地理分布,说明作物抗病性受地域起源的选择。“我们发现ROD1的功能在禾谷类作物中是保守的。”何祖华说,“因此,之后或可通过基因编辑或杂交的方式,来实现广谱抗病的新策略,这对培育高产高抗的作物品种具有重要的指导意义和应用潜力。”

高产易求,稳产难得。在中科院分子植物卓越中心主任、中科院院士韩斌看来,稳产的综合效益比单纯的高产来得更好。何祖华研究组的这项成果对开发高产抗病稳产作物品种提供了新的研发思路。

在何祖华实验室,由数百个实验器皿垒起的“阶梯”格外引人注目,象征着团队一步一个脚印“十五年磨一剑”。“水稻转入基因后稳定需要至少一年,在田间地头做抗病实验也要很长时间……”团队也将沿着这条路继续走下去,为把实验成果真正“写在”祖国田野上努力。

新民晚报记者 郜阳

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