全球范圍內每年因稻瘟病造成的損失高達水稻總產量的10%。中國不同稻區均是稻瘟病的易發區,每年因稻瘟病發病直接損失稻谷約30億公斤。

研究團隊發現的免疫代謝機制圖示

而目前利用化學農藥對田間病害進行防治的方法,已經造成了嚴重的環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濟、安全和有效的方法,也是實現綠色生態農業的重要保障。

2021年12月16日,國際頂尖學術期刊《自然》(Nature)在線發表了中國科學院分子植物科學卓越創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代謝并協同免疫反應)”的研究論文,揭示了一條全新的植物基礎免疫代謝調控網絡,尤其是發現了防衛代謝“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。

植物的免疫系統與動物類似,是經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。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,植物細胞內的免疫受體NLR,會通過感知病原菌的毒性蛋白,觸發新的免疫反應,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專化性的弱點,稱之為專化性抗性的免疫反應(ETI)。PTI 和ETI會相互促進,協同調控植物的防衛反應。

NLR受體基因對于農作物廣譜抗病育種發揮重要作用,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代謝以獲得廣譜抗病性,一直是植物病理和農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控蛋白PICI1。進一步揭示了一條全新的植物防衛代謝通路-PICI1通過增強蛋氨酸合酶的蛋白穩定性,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。

研究發現,水稻進化產生的廣譜抗病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化學物質(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,而防衛代謝物質“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據進行分析,挖掘到PICI1優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,農作物病害爆發頻繁。為了獲取糧食的高產穩產,農業生產中施加大量農藥,嚴重影響生態環境和食品安全,是我國農業生產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”化學防衛代謝網絡,有望達到水稻廣譜持久抗稻瘟病的目的,并降低農藥的施用,為農業生產的可持續發展提供新的策略。