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近日，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、洪山实验室和农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室固定研究人员，马铃薯团队田振东教授课题组在Nature Plants上发表了题为 “Chloroplast elongation factors break the growth-immunity trade-off by simultaneously promoting yield and defence” 的研究论文。该研究揭示了通过增强叶绿体延伸因子StTuA/B的表达，不仅能够加强马铃薯的光合作用效率和提高产量，还能显著增加对晚疫病的抵抗力。此外，研究还解析了晚疫病菌的效应分子Pi22926如何通过抑制StMAP3Kβ2对StTuA/B的磷酸化作用，阻止其进入叶绿体并导致其在细胞质中被降解，进而削弱植物的防御机制。
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作物育种的核心挑战之一是在保持或提升产量的同时增强抗病性。通常，高产的作物品种可能在面对疾病时显得脆弱，而高度抗病的品种可能在产量上不尽如人意。寻找能在不牺牲产量的情况下增强植物抗性的基因，是农业科学家们长期追求的目标。叶绿体不仅是植物进行光合作用的关键场所，也是植物抵抗病害的重要组成部分。
田振东教授团队早期的研究表明，晚疫病菌的效应分子Pi22926通过干扰植物免疫系统的正向调节因子StMAP3Kβ2来削弱马铃薯的免疫响应。然而，对于Pi22926的具体作用机制了解有限。最新的研究显示，Pi22926能够影响叶绿体的正常发育，并抑制植物的生长和免疫功能。
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图1 效应子Pi22926抑制马铃薯生长发育与免疫
研究进一步指出，叶绿体延伸因子StTuA和StTuB与Pi22926之间存在相互作用。实验结果证明，当过表达StTuA和StTuB时，无论是马铃薯还是本氏烟草，都展现出了对抗包括晚疫病在内的多种病原体的能力，并且产量或生物量明显增加。相反，减少这两种因子的表达会导致叶绿体发育不良，叶片出现黄化现象，植物的抗病能力也会显著降低。深入分析表明，StTuA/B不仅提高了叶绿体内蛋白质的合成效率，促进了光合作用相关蛋白的表达，还在植物遭受病原体攻击时调节叶绿体内活性氧的清除过程，以此实现增产与抗病的双重效果。![]()
图2 叶绿体延伸因子StTuA/B增强马铃薯晚疫病抗性及产量
更进一步地，研究发现，叶绿体蛋白StTuA/B由细胞核编码，并依赖于StMAP3Kβ2触发的磷酸化作用以及辅助蛋白StHSP70-3的帮助才能成功转入叶绿体。而Pi22926则是通过阻止这一磷酸化过程，使StTuA/B停留在细胞质中并加速其通过26S蛋白酶体途径的降解，从而影响植物的生长和免疫。![]()
图3 Pi22926抑制StMAP3Kβ2对StTuB的磷酸化
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图4 Pi22926抑制植物免疫及StTuA/B增产抗病的模式图
这项长达十余年的研究，最终揭示了晚疫病菌效应分子Pi22926抑制植物免疫的机制，并发现了能够同时控制植物光合作用和免疫反应的重要靶点——StTuA/B。这一发现对于开发既能提高产量又能增强抗性的作物品种具有重要意义，同时也展现了叶绿体蛋白表达调控在作物改良领域的广阔前景。华中农业大学博士毕业生戚烨通（现为浙江省湘湖实验室博士后）为论文第一作者，田振东教授为通讯作者。英国邓迪大学Paul Birch教授、西北农林科技大学王海霞教授为本研究提供了指导和帮助，研究生吴佳辉、杨筑、李红军、刘琅、吴昕雅等也参与了研究工作。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省“尖兵领雁+X”研发攻关计划等项目资助。![]()
