水稻免疫调控的“刹车制动”被发现

  【科技前沿】

  本报上海5月15日电（记者颜维琦）水稻是主粮，粮食安全是国家安全的重要基础。水稻生产中面临的挑战不容忽视：一是其生长过程中常常受到稻瘟病菌等病原真菌的侵扰，过度依赖化学农药，会对环境和食品安全构成威胁；二是水稻对磷、氮等营养元素的巨大需求，导致过度施肥。因此，深入探索水稻免疫和共生的机制，提高作物抗病性和营养吸收，是农作物育种的重要方向。

  记者从中国科学院分子植物科学卓越创新中心获悉，该中心王二涛团队、张余团队以及何祖华院士团队在水稻免疫机制研究上取得重大突破。5月15日，该成果以“水稻通过释放泛素制动器来激活由OsCERK1介导的免疫反应”为题，在国际学术期刊《自然》发表，为深入理解植物如何巧妙使用免疫系统这把“双刃剑”协调抗病、共生和生长的平衡奠定理论基础。

  中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王二涛介绍，促进水稻营养吸收和生长的丛枝菌根菌与对水稻造成毁灭性病害的稻瘟病菌均属于真菌界。它们的细胞表面都覆盖着一种名为几丁质的多聚糖类物质。植物通过区分几丁质的分子“长短”，来作出反应——短链几丁质会诱导共生信号，而长链几丁质则会触发植物的抗病免疫反应。水稻细胞表面的关键受体蛋白OsCERK1能够辨别“长短”信号，进而诱导免疫或共生反应的发生。但水稻体内是如何有效调控这一免疫反应的，一直是有待揭晓的谜团。

  研究发现了一种名为OsCIE1的调控蛋白能够束缚OsCERK1激酶活性。王二涛用刹车作比方：“在无病原菌侵染的时期，OsCIE1如同踩下‘刹车’，将一种名为泛素的小蛋白分子连接到OsCERK1蛋白表面，抑制其激酶活性，防止免疫过度激活。当水稻面临病原真菌入侵时，真菌细胞壁上的长链几丁质迅速诱导激酶活性。该激酶将磷酸基团分子添加至OsCIE1蛋白表面的关键区域，抑制OsCIE1限制OsCERK1的能力，如同松开‘刹车’。此时，免疫信号通路被OsCERK1成功激活，启动植物免疫反应，抵抗病原菌的侵染。”

  科研人员通过合作利用结构生物学方法，精确鉴定了控制OsCIE1“刹车”松紧的关键位点Ser237。当这一位点被OsCERK1磷酸化修饰时，如同释放刹车，OsCERK1便可展现其威力，积极抵御外敌。而一旦该位点未被磷酸化，“刹车”将再次发挥作用。借助这一机制，水稻得以协调自身对共生菌与病原菌的反应，控制水稻菌根共生的建立，并利用其发达的菌根网络协助水稻更高效地吸收磷、氮等关键营养物质，促进水稻生长发育，由此在抗病、共生和产量中实现平衡。

  王二涛研究员、张余研究员和何祖华院士作为文章共同通讯作者，王二涛研究组的博士后王钢、博士生陈曦以及张余研究组的已毕业博士生俞承志作为共同第一作者。该研究不仅阐明了植物协同调节免疫、共生和生长发育的分子机制，也为未来绿色农业生产提供了基因资源。据介绍，菌根共生新型水稻的试种工作正在江西开展，科学家针对玉米、小麦的共生/免疫调控机制应用研究也在进行。