全球范圍內(nèi)每年因稻瘟病造成的損失高達(dá)水稻總產(chǎn)量的10%。中國(guó)不同稻區(qū)均是稻瘟病的易發(fā)區(qū),每年因稻瘟病發(fā)病直接損失稻谷約30億公斤。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)的免疫代謝機(jī)制圖示

而目前利用化學(xué)農(nóng)藥對(duì)田間病害進(jìn)行防治的方法,已經(jīng)造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和食品安全問(wèn)題。因此,挖掘和培育新的廣譜持久抗病品種是控制稻瘟病最為經(jīng)濟(jì)、安全和有效的方法,也是實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要保障。

2021年12月16日,國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)在線發(fā)表了中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心何祖華研究團(tuán)隊(duì)完成的題為 “NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity(NLR免疫受體保護(hù)植物防衛(wèi)代謝并協(xié)同免疫反應(yīng))”的研究論文,揭示了一條全新的植物基礎(chǔ)免疫代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò),尤其是發(fā)現(xiàn)了防衛(wèi)代謝“PICI1-蛋氨酸-乙烯”的生化途徑,作為植物和病原菌爭(zhēng)奪的重要“化學(xué)裝備”,對(duì)于植物獲得廣譜抗病的“全面勝利”起著至關(guān)重要的作用,賦予水稻廣譜抗病性的新機(jī)制。

植物的免疫系統(tǒng)與動(dòng)物類似,是經(jīng)過(guò)與病原菌的長(zhǎng)期不懈斗爭(zhēng)所塑造的,主要包括兩層免疫系統(tǒng)。首先,植物通過(guò)位于細(xì)胞膜表面的免疫受體識(shí)別病原菌,從而激活免疫反應(yīng),該免疫反應(yīng)具有廣譜的基礎(chǔ)抗病性, 但抗性水平低,不足以作為抗病育種的靶標(biāo),稱之為基礎(chǔ)抗病性的免疫反應(yīng)(PTI)。

其次,植物細(xì)胞內(nèi)的免疫受體NLR,會(huì)通過(guò)感知病原菌的毒性蛋白,觸發(fā)新的免疫反應(yīng),該免疫反應(yīng)抗病水平高,能有效控制病害,是抗病育種的主要靶標(biāo),但往往具有病原菌小種專化性的弱點(diǎn),稱之為?；钥剐缘拿庖叻磻?yīng)(ETI)。PTI 和ETI會(huì)相互促進(jìn),協(xié)同調(diào)控植物的防衛(wèi)反應(yīng)。

NLR受體基因?qū)τ谵r(nóng)作物廣譜抗病育種發(fā)揮重要作用,而如何有效解析并應(yīng)用廣譜抗病NLR基因是目前農(nóng)作物抗病育種的主要技術(shù)瓶頸。同時(shí),探索免疫受體尤其是廣譜抗病的NLR受體如何在與病原菌在“軍備競(jìng)賽”中,通過(guò)增強(qiáng)植物的防衛(wèi)代謝以獲得廣譜抗病性,一直是植物病理和農(nóng)作物育種領(lǐng)域的重要科學(xué)難題。

該研究團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用植物病理、分子遺傳、蛋白組學(xué)和生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺(tái),鑒定到一個(gè)新的水稻免疫調(diào)控蛋白PICI1。進(jìn)一步揭示了一條全新的植物防衛(wèi)代謝通路-PICI1通過(guò)增強(qiáng)蛋氨酸合酶的蛋白穩(wěn)定性,強(qiáng)化蛋氨酸合成,促進(jìn)抗病激素乙烯的生物合成,從而調(diào)控水稻的基礎(chǔ)抗病性(PTI)。有意思的是,病原菌通過(guò)分泌毒性蛋白直接降解PICI1,抑制水稻的基礎(chǔ)抗病性,使之有利于病原菌的入侵。

研究發(fā)現(xiàn),水稻進(jìn)化產(chǎn)生的廣譜抗病NLR受體可以通過(guò)抑制病原菌毒性蛋白與PICI1的互作,保護(hù)并加強(qiáng)PICI1的功能,進(jìn)而激活更多的防衛(wèi)化學(xué)物質(zhì)(蛋氨酸-乙烯)的合成,以獲得廣譜抗病性。

這是一個(gè)典型的植物-病原菌“軍備競(jìng)賽”的研究范例,而防衛(wèi)代謝物質(zhì)“PICI1-蛋氨酸-乙烯”作為植物和病原菌爭(zhēng)奪的重要“化學(xué)裝備”,對(duì)于植物獲得廣譜抗病的“全面勝利”起著至關(guān)重要的作用。

此外,研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)3000份水稻品種的基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,挖掘到PICI1優(yōu)異的田間抗病變異位點(diǎn),為水稻抗病育種提供了新的思路和靶點(diǎn)。

近年來(lái),隨著全球氣候的變化,農(nóng)作物病害爆發(fā)頻繁。為了獲取糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施加大量農(nóng)藥,嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境和食品安全,是我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問(wèn)題之一。通過(guò)加強(qiáng)水稻“NLRs-PICI1-蛋氨酸-乙烯”化學(xué)防衛(wèi)代謝網(wǎng)絡(luò),有望達(dá)到水稻廣譜持久抗稻瘟病的目的,并降低農(nóng)藥的施用,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供新的策略。