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水稻免疫系统和病原菌的“三局两胜”谁会赢?上海科学家观察其中精彩对决!

来源:新民晚报     记者:郜阳     作者:郜阳     编辑:钱文婷     2021-12-16 08:31 | |

图说:水稻化学代谢分子赋予水稻广谱抗病性艺术插图(左边:感病水稻枯萎;右边:抗病水稻生长;右侧化学式分子分别为:蛋氨酸和乙烯) 来源/中科院分子植物卓越中心(下同)

人会生病,植物也会。在我国,水稻是主要的粮食作物,它也一直处于病原菌虎视眈眈的环视下。对水稻来说,稻瘟病尤为可怕,它的一生都有可能中招——“症状”是大幅减产,“病重”了甚至会让农民颗粒无收。稻瘟病也有了个形象的别称:叩头瘟。这提示植物生物学家:挖掘并应用水稻广谱抗病基因资源,是解决病害威胁最经济有效的途径,也是实现绿色生态农业的重要保障。

图说:稻瘟病病圃发病情况

中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员何祖华长期耕耘于植物广谱抗病领域,其研究团队发现,水稻广谱抗病NLR免疫受体蛋白通过保护初级防卫代谢通路免受病原菌攻击,协同整合植物的两层免疫系统,赋予了水稻广谱抗病性的新机制。相关研究成果于北京时间今天(16日)凌晨在国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)上在线发表。

“在上海,崇明区、松江区的水稻也饱受‘叩头瘟’的折磨。”何祖华介绍,“从全国来说,不同稻区均是稻瘟病的易发区,每年因稻瘟病发病直接损失稻谷约30亿公斤。”利用化学农药对付稻瘟病,可谓“杀敌一千,自损八百”——严重的环境污染和食品安全问题,让人们也付出了代价。很显然,最终的解决还得靠科技,若能培育出广谱持久抗病品种,才是真正的一劳永逸。

图说:何祖华研究员指导学生进行水稻田间接种

植物的免疫系统与动物相似,也是在与病原菌的长期不懈斗争中磨炼出的。第一层免疫系统可以理解为“皮肤抵御”——通过位于细胞膜表面的免疫受体识别病原菌,从而激活免疫反应,这种免疫反应具有广谱的基础抗病性,但抗性水平低,通俗来讲,“也就防个寻常‘感冒’罢了”;第二层免疫系统就厉害了,植物细胞内的免疫受体NLR,会通过感知病原菌的毒性蛋白,触发新的免疫反应——这种免疫反应抗病水平高,能有效控制病害,是抗病育种的主要靶标。该中心在今年三月发表的一项研究中发现:这两层免疫系统并不是单独作战,而是存在相互放大的协同效应。

“科学家们的目标很清晰:既然NLR受体基因对于农作物广谱抗病育种能发挥重要作用,那么有效解析并应用它就是我们要突破的理论与技术瓶颈。”何祖华告诉记者。

何祖华研究团队综合运用作物病理、植物遗传、分子生物学和生物化学等实验技术平台,鉴定到一个新的水稻免疫调控蛋白PICI1。接下来的故事的脚本,大家再熟悉不过了:适者生存——植物的免疫系统和病原菌不断上演“你高一尺”还是“我高一丈”的对决。

图说: PICI1-OsMETS介导的基础代谢免疫调控模型

回合一:PICI1通过增强蛋氨酸的初级合成,进而促进植物防卫激素乙烯的生物合成,而乙烯能直接参与激发水稻的基础抗病性。说到这,乙烯对于普通百姓来说,可谓“熟悉的陌生人”——苹果和香蕉放一块儿,香蕉为啥熟得快,答案正是苹果分泌的乙烯有催熟功效。这一局,植物的免疫系统胜。

回合二:病原菌自然不会坐以待毙,它进化出一系列的毒性蛋白,通过直接靶向降解PICI1,来抑制水稻的免疫反应。如此一来,病原菌的“入侵”就容易许多了。第二局:病原菌胜。

回合三:NLR受体与PICI1“结盟”,使后者免受病原菌毒性蛋白的降解,进而激发更为强烈的专业化抗性,来增强植物的防卫代谢以获得广谱抗病性。关键一局:植物的免疫系统胜利!

随后,研究团队通过对3000份水稻品种的基因组数据进行分析,挖掘到PICI1优异的田间抗病变异位点,为水稻抗病育种提供了新的思路和靶点。

“通过加强水稻‘NLR-PICI1-蛋氨酸-乙烯’这张‘防卫网’,有望达到水稻广谱持久抗稻瘟病的目的,并降低农药的施用。”何祖华表示。他还透露,在育种专家的帮助下,这项研究成果累积已经在我国的2000万亩田间地头得到了应用。

中科院分子植物卓越中心主任、中科院院士韩斌介绍,对于中心而言,2021年是个“丰收年”,光何祖华研究团队就有两项成果先后登上《细胞》《自然》两大国际顶尖学术期刊,而何祖华团队的下一方向是将两项成果“叠加”作用于植物,让水稻广谱抗病的同时也能高产。

新民晚报记者 郜阳

【延伸阅读】中国科学家揭秘植物对抗病原菌的“化学装备”生产线

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