实现CNS大满贯后,中科院院士团队又在Science取得重要突破!揭示水稻广谱抗病性机制

学术   2024-11-23 18:43   法国  

多种病原微生物对植物生命周期构成威胁,引发各类疾病,导致农作物产量减少及品质下降,对全球农业生产与粮食安全造成严重影响。为了控制作物疾病,每年都会投入大量化学农药,这不仅增加了环境负担,也对人类健康构成了挑战。因此,通过抗病基因培育抗病作物品种成为了实现绿色可持续病害防控的关键措施。探索抗病基因,并深入理解植物免疫激活和广泛抗性的调控机制,对抗病作物品种的开发具有重要的理论指导意义。

2024年11月,国际权威学术期刊ScienceFirst Release的形式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院士团队、张余团队与国内外研究者合作完成的题为“A canonical protein complex controls immune homeostasis and multipathogen resistance”的研究论文。该研究揭示了禾本科植物中TIR-only蛋白OsTIR的分子与生化作用,发现了植物免疫稳态精调的一个信号网络,为提高作物对多种病原体的抗性提供了新的基因资源和育种目标。

此前,何祖华团队已发现水稻中的一个免疫抑制基因ROD1,其突变可导致ROS积累,引发免疫自我激活现象,显著增强了水稻对包括稻瘟病、白叶枯病和纹枯病在内的多种病原菌的抵抗力,研究成果发表于国际顶尖期刊《Cell》(Gao et al., 2021)。然而,关于ROD1如何抑制免疫激活的具体信号网络仍不清楚。

点击阅读该团队相关成果:
Cell | 相生相克!研究揭示植物免疫系统如何实现作物“高产”与“抗病”之间的平衡!
Nature | 何祖华团队揭示植物免疫受体促进防御代谢物产生并协调广谱抗性的机制!
Nature | 中科院分子植物卓越中心研究揭示植物区分'有益'和'有害'微生物的分子机制
研究团队采用EMS化学诱变和γ射线物理诱变的方法,系统地筛选了能够抑制rod1免疫自激活的突变体,最终获得了18个稳定表达的rod1抑制子株系。通过对这些抑制子进行图位克隆和全基因组测序分析,确定它们分别对应于OsTIR、OsEDS1、OsPAD4和OsADR1基因的突变。OsTIR作为NAD酶,通过催化产生免疫小分子pRib-AMP来启动OsEDS1-OsPAD4-OsADR1(EPA)免疫复合体的组装,进而激发免疫响应。ROD1与OsTIR相互作用,抑制OsTIR的酶活性,阻止EPA信号通路的激活。当水稻遭遇病原体攻击时,ROD1会被病原体诱导的E3泛素连接酶快速降解,释放OsTIR活性,促进EPA复合体的组装并激活免疫,增强水稻对多种病原体的抗性;若ROD1功能丧失或缺失,则OsTIR活性完全释放,导致大量EPA复合体激活,产生免疫自激活效应。
总之,这项研究首次明确了水稻中TIR-only蛋白OsTIR的分子生化特性,解析了由五个组件组成的免疫网络如何维持免疫稳态和动态平衡,揭示了一条在单子叶和双子叶植物中普遍存在的免疫触发与信号传递路径,为作物抗病育种提供了新的靶点基因。
ROD1-OsTIR-EPA免疫级联模型
此研究的第一作者为中国科学院分子植物科学卓越创新中心的博士研究生武越、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;通讯作者为何祖华院士、张余研究员、邓一文研究员(现任浙江大学求是特聘教授),以及复旦大学高明君研究员。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也参与了此项研究工作。该项目得到了国家自然科学基金、农业生物育种重大项目、国家重点研发计划、上海市基础研究特区计划等多项资金的支持。

论文第一作者合影

何祖华,中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员,植物病理与分子遗传学家,中国科学院院士。1979-1986,原浙江农业大学(现浙江大学)农学学士,植物遗传育种硕士;1986-1992,原浙江农业大学植物遗传育种教研组助教,讲师;1992-1996,原浙江农业大学植物病理学博士,副教授;1997-1998,美国加州SALK研究所博士后;1999-2000,美国UC Davis植物病理系博士后,研究人员;2000,10-至今,中国科学院引进研究组长。在植物广谱抗病、抗病性与其他生理性状互作上取得了系列原创成果,发掘的水稻广谱抗病基因被大面积推广应用。以通讯作者在Cell, Science, Nature等学术刊物发表多篇论文,多个专利被育种应用。

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