【科學網(wǎng)】植物與病原菌“軍備競賽”的“化學裝備”我國科學家發(fā)現(xiàn)水稻廣譜抗病的免疫代謝新機制
文章來源:分子植物科學卓越創(chuàng)新中心 | 發(fā)布時間:2021-12-16 | 【打印】 【關閉】
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揭示了一條全新的植物基礎免疫代謝調(diào)控網(wǎng)絡,水稻廣譜抗病NLR免疫受體蛋白通過保護初級防衛(wèi)代謝通路免受病原菌攻擊,協(xié)同整合植物基礎抗病性(PTI)和?;钥剐裕‥TI)兩層免疫系統(tǒng),賦予水稻廣譜抗病性的新機制。12月16日,《自然》雜志在線發(fā)表了這項研究成果。
水稻作為我國主要的糧食作物,其產(chǎn)量和品質(zhì)受到多種病原菌的威脅。其中,稻瘟病作為水稻的“癌癥”會造成水稻的減產(chǎn)甚至絕產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計,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%。我國不同稻區(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。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。
植物的免疫系統(tǒng)與動物類似,主要包括兩層免疫系統(tǒng)。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,稱之為基礎的免疫反應(PTI)。同時,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?;悦庖叻磻‥TI)。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,而如何發(fā)掘并應用廣譜抗病NLR基因是目前農(nóng)作物抗病育種的主要技術瓶頸?!焙巫嫒A研究員告訴《中國科學報》,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。
據(jù)介紹,何祖華團隊綜合運用植物病理、分子生物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,促進防衛(wèi)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。
研究人員發(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。
何祖華表示,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“PICI1—蛋氨酸—乙烯”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。
此外,該研究團隊通過對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。
通過加強水稻“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。
相關論文信息: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04219-2
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