水稻是主糧，糧食安全是國家安全的重要基礎。水稻生產(chǎn)中面臨的挑戰不容忽視：一是其生長(cháng)過(guò)程中常常受到稻瘟病菌等病原真菌的侵擾，過(guò)度依賴(lài)化學(xué)農藥，會(huì )對環(huán)境和食品安全構成威脅；二是水稻對磷、氮等營(yíng)養元素的巨大需求，導致過(guò)度施肥。因此，深入探索水稻免疫和共生的機制，提高作物抗病性和營(yíng)養吸收，是農作物育種的重要方向。
記者從中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心獲悉，該中心王二濤團隊、張余團隊以及何祖華院士團隊在水稻免疫機制研究上取得重大突破。5月15日，該成果以“水稻通過(guò)釋放泛素制動(dòng)器來(lái)激活由OsCERK1介導的免疫反應”為題，在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表，為深入理解植物如何巧妙使用免疫系統這把“雙刃劍”協(xié)調抗病、共生和生長(cháng)的平衡奠定理論基礎。
中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心研究員王二濤介紹，促進(jìn)水稻營(yíng)養吸收和生長(cháng)的叢枝菌根菌與對水稻造成毀滅性病害的稻瘟病菌均屬于真菌界。它們的細胞表面都覆蓋著(zhù)一種名為幾丁質(zhì)的多聚糖類(lèi)物質(zhì)。植物通過(guò)區分幾丁質(zhì)的分子“長(cháng)短”，來(lái)作出反應——短鏈幾丁質(zhì)會(huì )誘導共生信號，而長(cháng)鏈幾丁質(zhì)則會(huì )觸發(fā)植物的抗病免疫反應。水稻細胞表面的關(guān)鍵受體蛋白OsCERK1能夠辨別“長(cháng)短”信號，進(jìn)而誘導免疫或共生反應的發(fā)生。但水稻體內是如何有效調控這一免疫反應的，一直是有待揭曉的謎團。
研究發(fā)現了一種名為OsCIE1的調控蛋白能夠束縛OsCERK1激酶活性。王二濤用剎車(chē)作比方：“在無(wú)病原菌侵染的時(shí)期，OsCIE1如同踩下‘剎車(chē)’，將一種名為泛素的小蛋白分子連接到OsCERK1蛋白表面，抑制其激酶活性，防止免疫過(guò)度激活。當水稻面臨病原真菌入侵時(shí)，真菌細胞壁上的長(cháng)鏈幾丁質(zhì)迅速誘導激酶活性。該激酶將磷酸基團分子添加至OsCIE1蛋白表面的關(guān)鍵區域，抑制OsCIE1限制OsCERK1的能力，如同松開(kāi)‘剎車(chē)’。此時(shí)，免疫信號通路被OsCERK1成功激活，啟動(dòng)植物免疫反應，抵抗病原菌的侵染。”
科研人員通過(guò)合作利用結構生物學(xué)方法，精確鑒定了控制OsCIE1“剎車(chē)”松緊的關(guān)鍵位點(diǎn)Ser237。當這一位點(diǎn)被OsCERK1磷酸化修飾時(shí)，如同釋放剎車(chē)，OsCERK1便可展現其威力，積極抵御外敵。而一旦該位點(diǎn)未被磷酸化，“剎車(chē)”將再次發(fā)揮作用。借助這一機制，水稻得以協(xié)調自身對共生菌與病原菌的反應，控制水稻菌根共生的建立，并利用其發(fā)達的菌根網(wǎng)絡(luò )協(xié)助水稻更高效地吸收磷、氮等關(guān)鍵營(yíng)養物質(zhì)，促進(jìn)水稻生長(cháng)發(fā)育，由此在抗病、共生和產(chǎn)量中實(shí)現平衡。
王二濤研究員、張余研究員和何祖華院士作為文章共同通訊作者，王二濤研究組的博士后王鋼、博士生陳曦以及張余研究組的已畢業(yè)博士生俞承志作為共同第一作者。該研究不僅闡明了植物協(xié)同調節免疫、共生和生長(cháng)發(fā)育的分子機制，也為未來(lái)綠色農業(yè)生產(chǎn)提供了基因資源。據介紹，菌根共生新型水稻的試種工作正在江西開(kāi)展，科學(xué)家針對玉米、小麥的共生/免疫調控機制應用研究也在進(jìn)行。
（原載于《光明日報》 2024-05-16 08版）
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