水稻获得“癌症”持久免疫力不是梦！被称为“水稻癌症”的稻瘟病，被国家列为一类农作物病虫害，一旦感染轻则减产10%，重则颗粒无收。可否找到一种
办法，为稻种筑起可以代代相传的免疫“防护墙”，不受稻瘟病的侵害？稻农千百年来的这个梦想，终于由上海科学家实现了。今天凌晨，国际顶尖
学术期刊《自然》杂志在线发表中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究团队的重大发现，研究揭示出一个全新的植物基础免疫代谢调控网
络，并由此找到了通过加强水稻天然免疫力，长期筑起稻瘟病“防护墙”的抗病策略。过去近十年间，这一办法已帮助育种家培育出稳定抗稻瘟病的
水稻新品种，并推广种植超过2000万亩。据统计，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%，我国每年因稻瘟病发病直接损
失稻谷约30亿公斤。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。我国规定，水稻新种培育，必
须具有抗稻瘟病的特性。但令育种专家头疼的是，新稻种对稻瘟病的抗病性总是没几年就会消退。“这是因为引起稻瘟病的菌种多达几百种，它们也
会不断进化。”何祖华说，从本世纪初，他就带领研究组为找到一种长期有效的抗稻瘟病办法而努力。在对相关植物蛋白进行“海选”之后，研究组
发现了一个新的水稻免疫调控蛋白PICI1。PICI1就好像植物免疫系统的先锋，受免疫“总司令”Pigm抗病受体的指挥，它通过强化蛋
氨酸合成，促进植物体内产生抗病激素乙烯，从而加强水稻的基础免疫力。可有趣的是，稻瘟病病原体进化出了一种毒性蛋白，可以直接让PICI
1“缴械”，从而让水稻失去对稻瘟病的抵抗力。不过，水稻又进化出了免疫“守护者”NLR蛋白，能够抢在毒性蛋白“作恶”之前，保护PIC
I1。“搞清这些机理，我们就可以通过加强‘PICI1-蛋氨酸-乙烯’防卫代谢网络，达到增强水稻天然抗稻瘟病能力的目的。”何祖华说，
令他们兴奋的是，他们多年的研究发现为育种专家培育出了具有持久、广谱抗稻瘟病的新稻种提供了帮助。自2006年以来，中国水稻研究所、隆
平高科等育种科研机构与企业，利用Pigm抗病基因，共推广种植广谱抗稻瘟病的水稻新品种超过2000万亩，基本不用喷洒抗稻瘟病的农药。
“论文发表固然重要，更重要的是让基础研究发现在农业生产中发挥作用。”何祖华表示，研究组还将继续深入，为水稻的绿色高产，提供更多新思
路、新方法。2021年12月16日，国际顶尖学术期刊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组完成的题为
“NLRsguardmetabolismtocoordinatepattern-andeffector-trigg
eredimmunity”的研究论文，揭示了一条全新的广谱免疫代谢调控网络。研究发现，水稻广谱抗病NLR受体蛋白通过保护免疫代
谢通路免受病原菌攻击，协同整合植物PTI和ETI，进而赋予水稻广谱抗病性的新机制。研究背景Research?Background水
稻作为世界主粮作物之一，养活了世界上近一半的人口。由真菌?Magnaportheoryzae?引起的稻瘟病是水稻最严重的病害，属
于农作物十大真菌病害之首。稻瘟病经常在我国和世界各稻区流行，可引起水稻大幅度减产，严重时减产40%-50%，甚至颗粒无收，已成为水
稻生产过程中主要的制约因素，也是全球粮食安全的重大隐患。我国水稻新品种审定从2008年开始实行稻瘟病抗性的“一票否决”制。因此，提
高水稻的稻瘟病抗性，尤其是广谱持久抗性，一直以来都是水稻抗病育种工作的难点问题，也是热点问题。水稻不同感抗材料在田间稻瘟病抗性的对
比图合理高效地利用和解析水稻广谱持久抗病资源，是防控稻瘟病最经济、有效和环保的方法，也是保障农业可持续发展的重要策略。近年来，虽然
在作物抗病基因鉴定、抗病机理等方面的研究取得了较大的进展，但在作物广谱、持久抗病性调控方面知之甚少。尤其是，虽然已发现植物在抗病的
情况下，其防卫代谢会明显加强，但在该过程中，免疫受体—防卫代谢—广谱抗性之间的关系，一直是植物病理和农作物育种领域的未解之谜。研究
过程Research?Process该研究团队综合利用植物病理学、蛋白组学、遗传学、分子和生化等实验技术平台，鉴定到一个新的免疫调
控蛋白PICI1。PICI1调控水稻对稻瘟病的抗性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，从而调控水稻的抗病性。值得注意的是，该免疫代谢调控网络（PICI1-蛋氨酸-乙烯）既
参与水稻的基础抗病性（PTI）又调控NLR介导的专化型抗病性（ETI）。PICI1调控OsMETS1的泛素化修饰蛋氨酸（左）与乙烯
（右）促进水稻的抗瘟性情况有趣的是，研究还发现“狡猾”的病原菌可以通过分泌一些毒性蛋白直接降解PICI1，抑制水稻的基础抗病性（P
TI），以有利于病原菌的入侵。病原菌毒性蛋白作用于PICI1“魔高一尺道高一丈”，水稻在与病原菌长期处于类似于“军备竞赛”的协同进
化中。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。PigmR免疫受体竞争性保护PICI1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“PICI1—蛋氨酸—乙烯”通路作为植物和病原菌争夺的重要“化学武器”，对于植物获得广谱抗病的“全面胜
利”起着至关重要的作用。因此，该研究首次回答了植物在与病原菌协同进化过程中，如何通过增强防卫代谢以获得广谱抗病性的重要科学问题。同
时，也从基础代谢的角度揭示了水稻NLR受体介导的专化性抗病性依赖于基础抗病性的保守机制，为水稻及农作物的抗病育种设计奠定了理论基础
。NLR通过保护PICI1-蛋氨酸-乙烯通路行使广谱抗病性的模式图此外，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。PICI1的自然变异分析PICI1在籼粳水稻中的核酸多态性
分析Related?Information随着全球气候变暖，农作物病虫害爆发和流行更加频繁,而通过大量使用农药控制病虫害,对人
类食品安全和生态环境造成严重威胁，是我国农业生产中亟待解决的重大问题之一。“NLR-PICI1-蛋氨酸-乙烯”化学防卫代谢调控网络的发现，为提高水稻的广谱持久抗瘟性提供了新的理论基础和技术支撑，对降低农药的施用，实现绿色农业生产具有重要的理论和实践意义。 |
|
