全球范围内每年因稻瘟病造成的损失高达水稻总产量的10%。中国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。

研究团队发现的免疫代谢机制图示

而目前利用化学农药对田间病害进行防治的方法,已经造成了严重的环境污染和食品安全问题。因此,挖掘和培育新的广谱持久抗病品种是控制稻瘟病最为经济、安全和有效的方法,也是实现绿色生态农业的重要保障。

2021年12月16日,国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究团队完成的题为 “NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity(NLR免疫受体保护植物防卫代谢并协同免疫反应)”的研究论文,揭示了一条全新的植物基础免疫代谢调控网络,尤其是发现了防卫代谢“PICI1-蛋氨酸-乙烯”的生化途径,作为植物和病原菌争夺的重要“化学装备”,对于植物获得广谱抗病的“全面胜利”起着至关重要的作用,赋予水稻广谱抗病性的新机制。

植物的免疫系统与动物类似,是经过与病原菌的长期不懈斗争所塑造的,主要包括两层免疫系统。首先,植物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,该免疫反应具有广谱的基础抗病性, 但抗性水平低,不足以作为抗病育种的靶标,称之为基础抗病性的免疫反应(PTI)。

其次,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,该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,但往往具有病原菌小种专化性的弱点,称之为专化性抗性的免疫反应(ETI)。PTI 和ETI会相互促进,协同调控植物的防卫反应。

NLR受体基因对于农作物广谱抗病育种发挥重要作用,而如何有效解析并应用广谱抗病NLR基因是目前农作物抗病育种的主要技术瓶颈。同时,探索免疫受体尤其是广谱抗病的NLR受体如何在与病原菌在“军备竞赛”中,通过增强植物的防卫代谢以获得广谱抗病性,一直是植物病理和农作物育种领域的重要科学难题。

该研究团队综合运用植物病理、分子遗传、蛋白组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。进一步揭示了一条全新的植物防卫代谢通路-PICI1通过增强蛋氨酸合酶的蛋白稳定性,强化蛋氨酸合成,促进抗病激素乙烯的生物合成,从而调控水稻的基础抗病性(PTI)。有意思的是,病原菌通过分泌毒性蛋白直接降解PICI1,抑制水稻的基础抗病性,使之有利于病原菌的入侵。

研究发现,水稻进化产生的广谱抗病NLR受体可以通过抑制病原菌毒性蛋白与PICI1的互作,保护并加强PICI1的功能,进而激活更多的防卫化学物质(蛋氨酸-乙烯)的合成,以获得广谱抗病性。

这是一个典型的植物-病原菌“军备竞赛”的研究范例,而防卫代谢物质“PICI1-蛋氨酸-乙烯”作为植物和病原菌争夺的重要“化学装备”,对于植物获得广谱抗病的“全面胜利”起着至关重要的作用。

此外,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。

近年来,随着全球气候的变化,农作物病害爆发频繁。为了获取粮食的高产稳产,农业生产中施加大量农药,严重影响生态环境和食品安全,是我国农业生产中亟待解决的重大问题之一。通过加强水稻“NLRs-PICI1-蛋氨酸-乙烯”化学防卫代谢网络,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,为农业生产的可持续发展提供新的策略。