只要在叶子上喷一喷，就能让水稻、小麦等农作物的天然免疫力倍增，自动抵御多种病害侵袭？这种绿色安全的“未来农药”已在实验室中有了雏形。
近日，国际知名学术期刊《科学》以“背靠背”形式在线发布了来自同一研究机构不同团队的两项重要成果，他们共同发现了调动植物体内免疫机制的一个大秘密——一种小分子能够调动水稻中多个蛋白形成免疫复合体，从而激活免疫力，提高作物的广谱抗病性。而将另一种小分子喷洒在植物叶面上，就能通过植物体内同一个信号调控网络，直接激活这种强大免疫力。
这一发现为培育广谱抗病农作物新品种提供了靶标基因，同时也为研制可激发农作物广谱抗病性的新型生物农药提供了理论基础。而科学家为此执着探索了14年。
从第一作者到通讯作者，14年求索不辍
这条长达14年的探索之路，起步于2010年。那一年，此次论文的共同通讯作者邓一文和高明君，还在中国科学院院士、中国科学院分子植物科学创新卓越中心何祖华研究员实验室攻读博士。
“rod1材料的田间抗病性表现非常好，就跟着何老师一路研究至今。”高明君的博士论文研究的就是ROD1，从英国剑桥留学回国后，她在复旦大学组建起自己的研究团队，又继续与何祖华团队合作，探索ROD1背后的奥秘。
那一年，分子植物科学卓越创新中心的松江农场基地刚建立，何祖华就包下了五亩地，带着学生将诱变的rod1种子全部播种，那一年共收到1.2万个突变株系种子。次年，又在海南南繁基地20亩地里播种这批突变株系种子，进行大规模全生育期筛选感病突变株系。
何祖华院士团队在进行田间试验。
“由于筛选不到合适的rod1突变材料构建定位群体，一连四五年几乎没啥进展。”高明君回忆起自己和导师一起在田间一株株翻找预期表型植株的情景，那段日子即使不怕辛苦，也挡不住绝望袭来，“不过，何老师每年都耐心而坚执地在田里一棵一棵翻找，最终功夫没有白费，筛选到了合适的材料，研究也突破了困境”。
2021年，何祖华团队在《细胞》上发表论文，报道ROD1是一个免疫抑制基因，它的功能失活可激活水稻的自身免疫力，显著提高对稻瘟病、白叶枯病、纹枯病等多个病原菌的抗性。而高明君正是那篇论文的第一作者。
小分子调动“合体金刚”，打响植株健康保卫战
然而，新的问题接踵而来——ROD1又是通过怎样的信号网络来发挥作用的？邓一文介绍，他们再次通过大规模田间表型鉴定筛选获得新的实验材料，通过基因克隆和全基因组测序分析，发现水稻中也存在细胞内感受器TIR蛋白。
“这些感受器能够产生免疫小分子pRib-AMP。”邓一文说，这个小分子在植物免疫系统中扮演着一个关键角色，它能调动水稻家族的三个蛋白，将它们组装成一个免疫复合体EPA，就好像变形金刚“三乘合体”后，变成超级合体战士一样，对抗大多数病原体都不在话下——植物的广谱抗病性大增。
ROD1-OsTIR-EPA介导的免疫反应作用模型
如此强劲的免疫武器自然不能轻易调用。ROD1通过与TIR蛋白互相作用来抑制pRib-AMP的产生，由此维护植物免疫系统的平稳：当植株遭到病原菌侵染时，ROD1会被降解，从而放出TIR蛋白，产生pRib-AMP，调动形成免疫复合体EPA，投入植株的“健康保卫战”。
有趣的是，分子植物科学卓越创新中心的另一个研究组也在关注pRib-AMP。
2020年，植物免疫学家万里从美国北卡罗莱纳大学回国来到分子植物卓越中心。“我们在研究中发现，TIR蛋白可以生成小分子2’cADPR，这类小分子可在植物体内转化成pRib-AMP。”万里介绍，更令他们兴奋的是，直接把2’cADPR喷洒在植物上，就可开启EPA“集结”的免疫力——这相当于实现了人为可控地激活植物的强抗病性，而且植物来源的2’cADPR的性质更稳定、安全性更高，更适合开发成植物免疫激活剂。
TIR蛋白产生2’cADPR并被转化为pRib-AMP诱导EPA复合体激活植物免疫反应
多个研究组联手，同机构论文“背靠背”发表
研究之路长达14年，论文从投稿到发表却只用了4个月19天。而将来自同一研究机构的两篇论文“背靠背”发表，这在《科学》杂志上也相当罕见。
论文审稿人给予两篇论文高度评价：“这是一项非常漂亮的工作”“大大推动了对植物免疫过程的认识”，甚至将其称为水稻研究中的一项“经典之作”。
值得一提的是，这两篇论文署名共同第一作者分别有6位和3位，其中有1人同时是两篇论文的共同第一作者，主要负责解析两篇论文中的重要蛋白结构。
何祖华等《科学》上发表的最新论文第一作者合影
万里研究员与最新发表论文第一作者合影
“作为现代生物学一种重要研究工具，结构生物学在植物研究中的应用，近几年才受到重视。”论文共同通讯作者、分子植物科学卓越创新中心研究员张余说，它能帮助植物科学家解决许多重要科学问题，甚至通过改造蛋白质精确控制植物性状，将对未来育种带来重大变革。
据统计，我国每年因病虫害造成的粮食减产达1500万吨，相当于3亿人一年的口粮。何祖华和万里均表示，将在国家重大战略需求的指引下，继续深入推进基础研究，并努力将成果转化应用到新型生物农药的开发中。
内容来源：文汇报
本期编辑：程贝贝
本期审核：顾倩倩
本期监制：顾旭东
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