全球范圍內(nèi)每年因稻瘟病造成的損失高達水稻總產(chǎn)量的10%。中國不同稻區(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。

研究團隊發(fā)現(xiàn)的免疫代謝機制圖示

而目前利用化學農(nóng)藥對田間病害進行防治的方法,已經(jīng)造成了嚴重的環(huán)境污染和食品安全問題。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、安全和有效的方法,也是實現(xiàn)綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要保障。

2021年12月16日,國際頂尖學術期刊《自然》(Nature)在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心何祖華研究團隊完成的題為 “NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity(NLR免疫受體保護植物防衛(wèi)代謝并協(xié)同免疫反應)”的研究論文,揭示了一條全新的植物基礎免疫代謝調(diào)控網(wǎng)絡,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奪的重要“化學裝備”,對于植物獲得廣譜抗病的“全面勝利”起著至關重要的作用,賦予水稻廣譜抗病性的新機制。

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

其次,植物細胞內(nèi)的免疫受體NLR,會通過感知病原菌的毒性蛋白,觸發(fā)新的免疫反應,該免疫反應抗病水平高,能有效控制病害,是抗病育種的主要靶標,但往往具有病原菌小種?；缘娜觞c,稱之為?；钥剐缘拿庖叻磻?ETI)。PTI 和ETI會相互促進,協(xié)同調(diào)控植物的防衛(wèi)反應。

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用廣譜抗病NLR基因是目前農(nóng)作物抗病育種的主要技術瓶頸。同時,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“軍備競賽”中,通過增強植物的防衛(wèi)代謝以獲得廣譜抗病性,一直是植物病理和農(nóng)作物育種領域的重要科學難題。

該研究團隊綜合運用植物病理、分子遺傳、蛋白組學和生物化學等實驗技術平臺,鑒定到一個新的水稻免疫調(diào)控蛋白PICI1。進一步揭示了一條全新的植物防衛(wèi)代謝通路-PICI1通過增強蛋氨酸合酶的蛋白穩(wěn)定性,強化蛋氨酸合成,促進抗病激素乙烯的生物合成,從而調(diào)控水稻的基礎抗病性(PTI)。有意思的是,病原菌通過分泌毒性蛋白直接降解PICI1,抑制水稻的基礎抗病性,使之有利于病原菌的入侵。

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

這是一個典型的植物-病原菌“軍備競賽”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奪的重要“化學裝備”,對于植物獲得廣譜抗病的“全面勝利”起著至關重要的作用。

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

近年來,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,嚴重影響生態(tài)環(huán)境和食品安全,是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題之一。通過加強水稻“NLRs-PICI1-蛋氨酸-乙烯”化學防衛(wèi)代謝網(wǎng)絡,有望達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。