北京时间2024年11月8日，国际权威学术期刊《科学》（Science）以“背靠背”形式在线发布了同一单位不同团队的两项重要科研成果。中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华院士团队、张余研究员团队，复旦大学高明君研究员团队以及浙江大学邓一文教授团队合作完成了题为 “A canonical protein complex controls immune homeostasis and multipathogen resistance”的研究成果。另一篇题为“Activation of a helper NLR by plant and bacterial TIR immune signaling”的研究成果来自分子植物卓越中心万里研究员团队。详阅：重磅！Science背靠背 | 分子植物卓越中心何祖华团队/张余团队联合万里团队发现植物免疫激活新机制
在去年，中国科学院、中国工程院公布2023年院士增选名单，民盟盟员丁洪、何祖华、沈维孝、徐星等4名同志当选中国科学院院士，张福成、金征宇等2名同志当选中国工程院院士。
何祖华，男，汉族，1962年11月生，浙江诸暨人，1994年2月加入民盟，研究生学历，博士学位，研究员。现任中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员。主要研究方向为植物病理学与抗病育种。曾获国家杰出青年科学基金项目资助，获国家自然科学二等奖、全国创新争先奖等奖项和全国优秀科技工作者等称号，学术成果入选中国生命科学领域十大进展。
在上海松江五厍农场试验田里查看稻株的何祖华
从1983年攻读硕士开始，何祖华就一直研究稻瘟病等水稻常见病。寻找水稻的广谱抗病基因，揭示植物的免疫机制，为育出抗病且稳产的水稻良种提供理论与技术支撑，30多年来，何祖华孜孜不倦攀登着水稻广谱抗病领域一座座科学高峰。
自2017年以来，何祖华团队接连在国际顶尖学术期刊《科学》《细胞》《自然》上发表三篇水稻广谱抗病新机制的研究论文，其中两项有关水稻抗病免疫与高产性状平衡机制的基础研究，何祖华一追就是15年。
何祖华和他的试验田 澎湃新闻记者 朱奕奕 摄
“中国人的饭碗要装自己的粮食，不仅要吃饱，还要吃好。”为了解决这个困扰水稻育种界多年的难题，从2002年起，何祖华开始和广泛育种家和病理学家合作，并带着学生跑遍了全国主要水稻种植区，筛选广谱持久的抗病基因。
基因位点的筛查工作量之大，令何祖华始料未及，但也激起他打破砂锅问到底的兴趣：“我原本以为只克隆一个抗病的基因位点。没想到，后来越做越多，也越发有趣。”
他还想，如果能建一个水稻基因库来集合这些基因，科研人员既可以共享共用，也更有利于发掘更多的抗病基因。然而，当时在国内外，很少有人愿意做这件费时又费力的基础性工作。何祖华主动牵头，带领团队建立起了高抗水稻基因组文库，并花了两年时间筛选几万个基因组克隆。宝剑锋利磨砺出。2006年，他们终于找到了一个几乎能对抗稻瘟病所有变异病菌的基因位点。
而后，他们又花了10年时间弄清了这个“基因克星”是如何与稻瘟病菌“缠斗”的。在这场持续10多年的科研马拉松中，何祖华几乎所有的情结都系在稻瘟病的“基因克星”上。在团队和各地的病理学和育种专家合作，做了几十万株接种实验，但仍未找到能攻破该基因防线的病原菌小种时，他既高兴又失落。
“基础研究是奔着解决问题而去的，只要问题没解决，我就要坚持不懈追下去。”终于，在2017年，何祖华团队撞线了，他们解析出了水稻广谱持久抗病与产量平衡的遗传与表观调控机制，文章发表在《科学》杂志，这项成果获评为2017年年度中国生命科学十大进展。
迄今，何祖华发掘的水稻广谱抗病基因，已经被国内40多家种子公司和育种单位应用于水稻抗病分子育种，并累计推广至全国几千万亩的水稻种植上。
30多年前，受制于农药和育种技术，农民种水稻往往要“靠天吃饭”。那时，刚开始读研的何祖华目睹了发生在浙江东辉山区的一幕：蔫黄的水稻顶着白穗，整块稻田颗粒无收。从此，他下定决心，要和稻瘟病“死磕”到底。
这种病被称为“水稻的癌症”，病情一旦蔓延，很难得到控制。从硕士课题开始，何祖华的研究方向几乎从未离开过稻瘟病。
4年前，他的团队不仅找到了能持久抗击稻瘟病的“基因克星”，还弄清了它是如何与稻瘟病菌“周旋”的。这项研究成果在线发表在学术期刊Science上。
除了喷农药，抗击稻瘟病就只剩一条路可走——筛选出水稻抗病基因进行育种。“稻瘟病就像流行性感冒。”何祖华说，一方面，由于不同地域的病原菌一般不同，目前已有的25个抗稻瘟病基因做不到“包治百病”，并尚不能向全国推广。另一方面，如果把这些抗病基因整合到一个品种里，虽然抗病性提高了，但“大补”后水稻的产量和品质会打折扣。
为了解决这个长期困扰育种界的瓶颈问题，何祖华于2002年开始与育种家展开合作，广泛筛选广谱持久的抗病基因。此时，他正式“打响”了抗击稻瘟病的第一枪。
在何祖华的办公室门后，挂着他下田时“装备”——起球的灰色运动裤、蓝毛巾、遮阳帽和尼龙挎包。他说，搞农学研究的，免不了和泥土打交道。
为了筛选抗病基因，何祖华带学生邓一文等到浙江、海南、湖南、湖北等主要水稻种植区实地考察。每到播种、插秧、收获等关键时间节点，何祖华都会亲自下田，不但指导学生观察性状，还常去各种病圃观察抗性情况。
筛选基因位点的工作量巨大，一般人很难想象。仅是建立基因组文库这一项，团队就筛选出几万个基因组进行克隆。不只是在国内，就是在国际上也很少有人会花这么多时间和精力去构建这些基因组文库，然而何祖华团队一做就是2年。
2006年，他们终于鉴定出了一个几乎能对抗稻瘟病所有变异病菌的基因位点Pigm。而后，何祖华团队又花了10年时间来系统解析这个位点的作用机制。
Pigm基因是一个矛盾综合体，有两个功能完全相反的基因：一个能抗病，却令水稻种子变小，导致减产；另一个能增产，却会抑制抗病性。它们“联手”的结果是，稻瘟病只能部分侵染水稻的叶片等组织。“这样一来，由于病原菌尚有生存空间，就不会‘狗急跳墙’，累积变异以求对抗这个抗病基因。”邓一文说。这种矛盾属性反而使Pigm基因具有了持久的抗病性，同时还能保证高产.
何祖华田间采样
在追求“短平快”的时代，何祖华带领团队不慌不忙，一项课题做了近15年，一个目标追了30年。他常说：“做科研不是做生意，急不了，得一步步来。”
何祖华觉得，做科研乐趣和压力并存。回想起2000年底初到中科院时，他原本只想克隆一个抗病的基因位点。可没想到，后来工作越做越多，也越做越有趣。
为了进一步研究Pigm基因位点的抗病机理，何祖华团队和各地的病理学专家合作，已做了几十万株接种实验，但仍未找到能侵染该基因的病原菌小种。“既高兴又失落。”何祖华如是形容自己的心情。
在何祖华的电脑里，有一张2002年在杭州农田拍的照片。照片里，他一头黑发、双手叉腰，草帽放在身后，精神抖擞。正午的阳光照在清瘦的脸庞上，他眯着眼，笑得自信又从容。
以下为何祖华院士近年的研究成果！不完全统计：
通过在Pubmed查询发现该课题组在近1年（202105-202204）发表了4篇高水平的文章，其中包括Nature、Cell、Nature Genetics和 Science advance等4篇通讯文章。同时该课题组在2017年发表Science文章，成功克隆了持久广谱抗稻瘟病基因Pigm，并揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制，并被评为2017年中国生命科学十大进展！其文章的数量和质量在世界植物抗病研究领域也是名列前茅。
以下是该课题的代表作详细解读：
1. 2021年12月16日，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 “NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity” 的研究论文，该研究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。
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。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）。
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
2. 2021年9月30日，Cell杂志在线发表了来自中科院分子植物卓越中心何祖华课题组和杨卫兵课题组和钟祥斌博士为共同通讯作者题为“Ca2+ Sensor-Mediated ROS Scavenging Suppresses Rice Immunity and Is Exploited by a Fungal Effector”的研究论文。这是该研究团队继2017年在《科学》（Science）发表水稻广谱抗病新机制后的又一重大进展。研究揭示了水稻钙离子新感受子ROD1精细调控水稻免疫，降低水稻因广谱抗病而引发的生存代价，平衡水稻抗病性与生殖生长和产量性状的分子机制。
该研究首次按通过水稻资源抗病性筛选, 鉴定到1个对稻瘟病、纹枯病和白叶枯病均表现高抗的隐性突变基因rod1 (图1), 该突变在增强水稻免疫反应的同时, 导致生长发育迟滞, 但在自然病圃条件下rod1突变体长势更好且产量更高。
进一步通过图位克隆发现ROD1是1个C2结构域钙感应蛋白, 且其生物学功能依赖钙离子结合能力, 其基因序列和功能在被子植物中高度保守。酵母双杂筛选发现, ROD1可与过氧化氢酶CatB互作, 将后者从过氧化物酶体转至质膜。这一过程可能与ROD1的磷脂结合能力相关。已知过氧化氢酶在拟南芥免疫反应中发挥负调控作用; 同样, 在水稻中利用基因编辑敲除CatB增强了免疫反应和抗病性。进一步的生化实验和功能实验表明, ROD1能促进CatB的酶活, 从而降解免疫过程中产生的活性氧, 且这一功能依赖ROD1的钙结合能力。在大麦(Hordeum vulgare)免疫受体在本氏烟(Nicotiana benthamiana)系统中表达会导致活性氧爆发和细胞死亡, 共表达ROD1和CatB则能抑制此类免疫反应。钙信号和活性氧是相互联动的信号分子, 在植物免疫信号转导中极为重要。上述一系列分析表明, ROD1和CatB组成一个Ca2+-活性氧信号轴, 负调控植物免疫, 防止因过度免疫导致生长发育迟滞。
ROD1招募过氧化氢酶CatB到细胞质膜附近清除活性氧另一方面，研究发现水稻稻瘟病菌会进化出模拟ROD1结构的毒性蛋白，在植物体内盗用ROD1的免疫抑制途径，实现侵染的目的。由于植物无法逃避病原菌的侵染，因此进化出了与病原菌共同生存的策略：通过适当减弱植物的抗病能力，来保证其生长繁殖，延续后代，让植物抗病性与繁殖力维持相对平衡的水平。这就是植物聪明的生存之道。
稻瘟病菌效应蛋白AvrPiz-t模拟ROD1的结构及功能综上所述，该研究发现ROD1作为一个新的植物免疫抑制中枢，通过降解具有免疫活性的超氧分子（ROS），从而抑制植物的防卫反应。因此，在没有病原菌侵染时，植物的基础免疫维持在较低水平，有利于水稻生殖生长，进而提高产量。但当病原菌侵染时，植物进化出了聪明的免疫激发新途径：通过降解ROD1减弱其功能，从而保证植物在抵御病原菌时能产生有效的防卫反应，不至于迅速发病枯死，并能繁殖后代。该研究揭示了一条以钙离子受体ROD1为核心的免疫抑制新通路，以及植物与病原菌利用蛋白质结构模拟介导的协同进化机制，为植物免疫领域研究提供重要的新启示。该研究首次说明作物能够选择与气候或栽培条件相适应的免疫策略，让植物抗病能力与生长发育即环境适应性达到最佳平衡。ROD1介导的免疫反应作用模型3. 2017年2月2日，Science在线发表了中科院上海植物生理生态研究所何祖华研究组题与合作者完成的关于水稻持久广谱抗病的最新研究成果为“Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance”的研究论文。该研究成功克隆了持久广谱抗稻瘟病基因Pigm，并揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制
稻瘟病是真菌(Magnaporthe oryzae)引起，水稻最重要病害之一。分布在全国乃至世界各稻区，可引起水稻大幅度减产，严重时减产40%～50%，甚至颗粒无收，因此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。控制这个病害最经济有效的方法是发掘和利用新的广谱持久抗病资源进行选育广谱抗病新品种。截至目前，已有25个抗稻瘟病基因被克隆和功能鉴定，但绝大部分抗谱窄，带这些基因的抗病品种一般推广3年后就被稻瘟病菌克服丧失抗性，在水稻抗病育种上应用价值受到很大限制。另一方面，采用抗病基因聚合方法可以提高水稻抗病性但会影响产量和品质-即存在抗病性代价问题。
为解决这个长期困扰植物病理和育种界的瓶颈问题，中国科学院上海植物生理生态研究所的何祖华团队与育种家合作，从2002开始，广泛筛选抗瘟种质，从起源于我国农家品种的育种材料中鉴定了一个广谱持久抗瘟性新位点Pigm。研究发现，Pigm是一个包含多个NBS-LRR类抗病基因的基因簇。其中只有2个具有功能的蛋白PigmR和PigmS。PigmR在水稻的叶、茎秆、穗等器官组成型的表达，可以自身互作形成同源二聚体，发挥广谱抗病功能，但PigmR导致水稻千粒重降低，产量下降。与PigmR相反，PigmS受到表观遗传的调控，仅在水稻的花粉中特异高表达，在叶片、茎秆等病原菌侵染的组织部位表达量很低，但可以提高水稻的结实率，抵消PigmR对产量的影响。PigmS可以与PigmR竞争形成异源二聚体抑制PigmR介导的广谱抗病性。但由于PigmS低水平的表达，为病原菌提供了一个“避难所”，病原菌的进化选择压力变小，减缓了病原菌对PigmR的致病性进化，因此Pigm介导的抗病具有持久性。利用Pigm改良选育的品种既有广谱持久抗病性又不影响最终的产量。这个基因已经被国内30多家种子公司和育种单位应用于水稻抗病分子育种，已经有新品种参加区试和品种审定。因此本研究不仅在理论上扩展了植物免疫与抗病性机制的认识，也为作物抗病育种提供了有效的新工具。
