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“背靠背”论文
粮安天下，农稳社稷。中国是14亿人口的大国，保障粮食供给事关国家安全和发展大局。近年来，病虫害的频繁爆发造成作物减产和品质下降, 大量使用化学农药控制农作物病虫害，不仅破坏生态环境，还威胁人们健康。培育广谱抗病品种是保障我国粮食安全、发展绿色农业、维护生态环境的重要举措。发掘广谱持久抗病基因，揭示植物免疫激活调控广谱抗病的分子机制是农作物抗病育种的重要理论基础。
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。
研究背景/ Research background
植物免疫的本质是识别“非我”。植物免疫系统通过识别病原微生物而激活自身的免疫反应，该系统由两道防线组成，一是通过植物细胞表面感受器识别病原菌后产生的基础抗病性（PTI），PTI相对温和且容易被病原菌分泌的毒性蛋白所突破；在进化中，植物产生了第二道防线，植物细胞内感受器NLR蛋白识别病原菌分泌的毒性蛋白后引起的专化性抗性（ETI），该防线反应强烈且能赋予植物强抗病性。植物ETI免疫反应的发生依赖于植物特定的NLR感受器蛋白识别特定病原菌分泌的特定毒性蛋白。由于ETI的特异性，目前在植物抗病育种和病虫害防治中缺乏有效的方法激活植物ETI。如何克服ETI对病原菌的特异性，实现有效的多病原广谱抗病性成为了植物免疫研究的重要课题。
水稻（上图）
拟南芥（下图）
研究内容/ Research content
何祖华及其合作研究团队在前期研究中发现了一个水稻免疫抑制基因ROD1，该基因突变引起活性氧积累，产生免疫自激活表型，显著提高水稻对多个病原菌如稻瘟病、白叶枯病和纹枯病的抗性，论文发表于国际权威学术期刊Cell（Gao et al., 2021）。然而对ROD1抑制免疫激活的信号网络尚不清楚。研究团队采用EMS化学诱变和γ射线物理诱变筛选rod1抑制子的策略深入研究，经过大规模的田间表型鉴定筛选，共获得18个rod1抑制子株系。通过基因克隆和全基因组测序分析，发现这些抑制子分别是OsTIR、OsEDS1、OsPAD4和OsADR1基因突变。
首次报道禾本科作物的细胞内感受器OsTIR蛋白具有产生免疫小分子pRib-AMP的功能，小分子pRib-AMP能够激活水稻OsEDS1、OsPAD4和OsADR1蛋白形成免疫复合体EPA激发免疫反应。进一步研究发现水稻免疫抑制蛋白ROD1与OsTIR互作，影响OsTIR的酶活，从而抑制小分子pRib-AMP的生成，避免EPA复合体激发免疫反应，维持免疫的稳态。当病原菌侵染时，ROD1被降解，OsTIR蛋白被释放后生成小分子激活免疫复合体EPA，产生对多种病原菌的广谱抗性。因此，该研究揭示了一个五组分的信号网络调控植物免疫稳态的分子机制，为培育广谱抗多种病原菌的作物新品种提供重要的理论基础和靶标基因。
ROD1-OsTIR-EPA介导的免疫反应作用模型
无独有偶的是万里团队发现植物细胞内感受器的TIR蛋白可生成小分子2’cADPR，这一类小分子作为前体在植物体内可以被转化生成pRib-AMP，从而激活EPA免疫复合体，提高植物抗病性。利用2’cADPR处理植物即可诱导类似于ETI的强抗病性，实现了在没有特定病原菌侵染的情况下人为可控地激活植物强ETI免疫反应。而且相对于pRib-AMP，2’cADPR性质更稳定，所以也更适合开发作为植物免疫激活剂。
这一发现为发展绿色农业提供了一种能够激发农作物广谱抗病性的新型“生物农药”，从而有效替代化学农药，减少对生态环境的负面影响。一些细菌的TIR蛋白也可以产生2’cADPR并激活植物的ETI免疫反应，因此本研究还揭示了植物和细菌免疫通路交互的分子机理。
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
植物细胞内感受器TIR蛋白介导的ETI抗性是农作物抗病育种的重要靶标。因此，研究植物免疫受体及其工作机理，并最终实现对植物免疫受体的人工定向改造，就能有效解决植物病害问题。这两项研究成果共同揭示了一个在不同植物中保守的由小分子pRib-AMP和蛋白复合体EPA介导的免疫激活新机制，为植物病害防控提供了新型“生物农药”靶标，对促进我国农业绿色可持续发展，维护生态环境，保障粮食安全具有重要意义。
相关信息/ Related information
分子植物卓越中心博士研究生武越、徐炜莹、雷子耀，高级工程师刘继云，上海科技大学博士研究生赵国燕以及复旦大学博士研究生李魁为论文“A canonical protein complex controls immune homeostasis and multipathogen resistance ”的共同第一作者，分子植物卓越中心何祖华院士、张余研究员，复旦大学高明君研究员以及浙江大学邓一文教授为共同通讯作者。德国马普植物育种研究所Jane E. Parker院士、西湖大学柴继杰教授等参与了本项研究。该研究工作受到国家自然科学基金、农业生物育种重大专项、国家重点研发计划、上海市基础研究特区计划等的资助。文章链接：https://doi.org/10.1126/science.adr2138
文章第一作者合影
从左往右依次是：刘继云、李魁、雷子耀、赵国燕、徐炜莹、武越
分子植物卓越中心博士研究生于华、徐炜莹和陈思思为论文“Activation of a helper NLR by plant and bacterial TIR immune signaling”的共同第一作者，万里研究员为通讯作者。该研究工作得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心张余研究员的合作和支持。同时，该研究工作得到国家重点研发计划、植物性状形成与塑造重点实验室（中国科学院）、国家自然科学基金面上项目和中国科学院先导项目等资助。文章链接：https://doi.org/10.1126/science.adr3150
万里研究员及文章第一作者合影
从左往右依次是：徐炜莹、于华、万里、陈思思
来源：中国科学院分子植物科学卓越创新中心
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