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加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關(guān)鍵核心技術(shù)，努力搶占科技制高點，為把我國建設(shè)成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現(xiàn)科學技術(shù)跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設(shè)國際一流科研機構(gòu)。

——中國科學院辦院方針

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分子植物卓越中心發(fā)現(xiàn)植物免疫激活新機制

2024-11-08 分子植物科學卓越創(chuàng)新中心

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語音播報

11月8日，《科學》（Science）以“背靠背”形式在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心兩項重要科研成果。中國科學院院士、分子植物卓越中心研究員何祖華團隊與研究員張余團隊，聯(lián)合復旦大學研究員高明君團隊、浙江大學教授鄧一文團隊完成了題為A canonical protein complex controls immune homeostasis and multipathogen resistance的研究成果。分子植物卓越中心萬里團隊完成了題為Activation of a helper NLR by plant and bacterial TIR immune signaling的研究論文。

植物免疫的本質(zhì)是識別“非我”。植物免疫系統(tǒng)通過識別病原微生物進而激活自身的免疫反應。該系統(tǒng)由兩道防線組成。一是通過植物細胞表面感受器識別病原菌后產(chǎn)生的基礎(chǔ)抗病性（PTI），而PTI相對溫和且易被病原菌分泌的毒性蛋白突破。二是在進化中植物產(chǎn)生第二道防線即植物細胞內(nèi)感受器NLR蛋白識別病原菌分泌的毒性蛋白后引起的專化性抗性（ETI），而該防線反應強烈且能夠賦予植物強抗病性。植物ETI免疫反應依賴于植物特定的NLR感受器蛋白識別特定病原菌分泌的特定毒性蛋白。當前，由于ETI的特異性，植物抗病育種和病蟲害防治缺乏有效方法激活植物ETI。如何克服ETI對病原菌的特異性以及實現(xiàn)有效的多病原廣譜抗病性成為植物免疫研究的重要課題。

前期，何祖華及合作團隊發(fā)現(xiàn)了水稻免疫抑制基因ROD1。該基因突變引起活性氧積累，產(chǎn)生免疫自激活表型，提高水稻對多個病原菌如稻瘟病、白葉枯病和紋枯病的抗性。而對于ROD1抑制免疫激活的信號網(wǎng)絡尚不清楚。該團隊采用EMS化學誘變和γ射線物理誘變篩選rod1抑制子的策略，經(jīng)過大規(guī)模的田間表型鑒定篩選，獲得18個rod1抑制子株系?；蚩寺『腿蚪M測序分析顯示，這些抑制子分別是OsTIR、OsEDS1、OsPAD4和OsADR1基因突變。研究顯示，禾本科作物的細胞內(nèi)感受器OsTIR蛋白具有產(chǎn)生免疫小分子pRib-AMP的功能，而小分子pRib-AMP能夠激活水稻OsEDS1、OsPAD4和OsADR1蛋白形成免疫復合體EPA以激發(fā)免疫反應。進一步，研究發(fā)現(xiàn)，水稻免疫抑制蛋白ROD1與OsTIR互作，影響OsTIR的酶活，從而抑制小分子pRib-AMP的生成，避免EPA復合體激發(fā)免疫反應，維持免疫的穩(wěn)態(tài)。當病原菌侵染時，ROD1被降解，OsTIR蛋白被釋放后生成小分子激活免疫復合體EPA，產(chǎn)生對多種病原菌的廣譜抗性。該研究揭示了五組分的信號網(wǎng)絡調(diào)控植物免疫穩(wěn)態(tài)的分子機制，為培育廣譜抗多種病原菌的作物新品種奠定了理論基礎(chǔ)，提供了靶標基因。

無獨有偶的是，萬里團隊發(fā)現(xiàn)了植物細胞內(nèi)感受器的TIR蛋白可生成小分子2’cADPR。這類小分子作為前體在植物體內(nèi)可以被轉(zhuǎn)化生成pRib-AMP，從而激活EPA免疫復合體，提高植物抗病性。利用2’cADPR處理植物即可誘導類似于ETI的強抗病性，實現(xiàn)了在沒有特定病原菌侵染的情況下人為可控地激活植物強ETI免疫反應。相對于pRib-AMP，2’cADPR性質(zhì)更穩(wěn)定，更適合開發(fā)為植物免疫激活劑。這為發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)提供了可以激發(fā)農(nóng)作物廣譜抗病性的新型“生物農(nóng)藥”，并能夠替代化學農(nóng)藥，減少對生態(tài)環(huán)境的負面影響。同時，一些細菌的TIR蛋白可以產(chǎn)生2’cADPR并激活植物的ETI免疫反應，進而該團隊揭示了植物和細菌免疫通路交互的分子機理。

植物細胞內(nèi)感受器TIR蛋白介導的ETI抗性是農(nóng)作物抗病育種的重要靶標。因此，研究植物免疫受體及其工作機理，實現(xiàn)對植物免疫受體的人工定向改造，能夠解決植物病害問題。上述兩項成果共同揭示了在不同植物中保守的由小分子pRib-AMP和蛋白復合體EPA介導的免疫激活新機制，為植物病害防控提供了新型“生物農(nóng)藥”靶標。

論文鏈接：1、2

ROD1-OsTIR-EPA免疫級聯(lián)模型

TIR蛋白產(chǎn)生2’cADPR并被轉(zhuǎn)化為pRib-AMP進而誘導EPA復合體激活植物免疫反應

近年來，病蟲害頻繁爆發(fā)造成作物減產(chǎn)和品質(zhì)下降。而大量使用化學農(nóng)藥控制農(nóng)作物病蟲害，破壞生態(tài)環(huán)境，威脅人類健康。培育廣譜抗病品種是保障糧食安全、發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)、維護生態(tài)環(huán)境的重要舉措之一。發(fā)掘廣譜持久抗病基因，揭示植物免疫激活調(diào)控廣譜抗病的分子機制，是農(nóng)作物抗病育種的重要理論基礎(chǔ)。11月8日，《科學》（Science）以“背靠背”形式在線發(fā)表了中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心兩項重要科研成果。中國科學院院士、分子植物卓越中心研究員何祖華團隊與研究員張余團隊，聯(lián)合復旦大學研究員高明君團隊、浙江大學教授鄧一文團隊完成了題為A canonical protein complex controls immune homeostasis and multipathogen resistance的研究成果。分子植物卓越中心萬里團隊完成了題為Activation of a helper NLR by plant and bacterial TIR immune signaling的研究論文。植物免疫的本質(zhì)是識別“非我”。植物免疫系統(tǒng)通過識別病原微生物進而激活自身的免疫反應。該系統(tǒng)由兩道防線組成。一是通過植物細胞表面感受器識別病原菌后產(chǎn)生的基礎(chǔ)抗病性（PTI），而PTI相對溫和且易被病原菌分泌的毒性蛋白突破。二是在進化中植物產(chǎn)生第二道防線即植物細胞內(nèi)感受器NLR蛋白識別病原菌分泌的毒性蛋白后引起的專化性抗性（ETI），而該防線反應強烈且能夠賦予植物強抗病性。植物ETI免疫反應依賴于植物特定的NLR感受器蛋白識別特定病原菌分泌的特定毒性蛋白。當前，由于ETI的特異性，植物抗病育種和病蟲害防治缺乏有效方法激活植物ETI。如何克服ETI對病原菌的特異性以及實現(xiàn)有效的多病原廣譜抗病性成為植物免疫研究的重要課題。前期，何祖華及合作團隊發(fā)現(xiàn)了水稻免疫抑制基因ROD1。該基因突變引起活性氧積累，產(chǎn)生免疫自激活表型，提高水稻對多個病原菌如稻瘟病、白葉枯病和紋枯病的抗性。而對于ROD1抑制免疫激活的信號網(wǎng)絡尚不清楚。該團隊采用EMS化學誘變和γ射線物理誘變篩選rod1抑制子的策略，經(jīng)過大規(guī)模的田間表型鑒定篩選，獲得18個rod1抑制子株系。基因克隆和全基因組測序分析顯示，這些抑制子分別是OsTIR、OsEDS1、OsPAD4和OsADR1基因突變。研究顯示，禾本科作物的細胞內(nèi)感受器OsTIR蛋白具有產(chǎn)生免疫小分子pRib-AMP的功能，而小分子pRib-AMP能夠激活水稻OsEDS1、OsPAD4和OsADR1蛋白形成免疫復合體EPA以激發(fā)免疫反應。進一步，研究發(fā)現(xiàn)，水稻免疫抑制蛋白ROD1與OsTIR互作，影響OsTIR的酶活，從而抑制小分子pRib-AMP的生成，避免EPA復合體激發(fā)免疫反應，維持免疫的穩(wěn)態(tài)。當病原菌侵染時，ROD1被降解，OsTIR蛋白被釋放后生成小分子激活免疫復合體EPA，產(chǎn)生對多種病原菌的廣譜抗性。該研究揭示了五組分的信號網(wǎng)絡調(diào)控植物免疫穩(wěn)態(tài)的分子機制，為培育廣譜抗多種病原菌的作物新品種奠定了理論基礎(chǔ)，提供了靶標基因。無獨有偶的是，萬里團隊發(fā)現(xiàn)了植物細胞內(nèi)感受器的TIR蛋白可生成小分子2’cADPR。這類小分子作為前體在植物體內(nèi)可以被轉(zhuǎn)化生成pRib-AMP，從而激活EPA免疫復合體，提高植物抗病性。利用2’cADPR處理植物即可誘導類似于ETI的強抗病性，實現(xiàn)了在沒有特定病原菌侵染的情況下人為可控地激活植物強ETI免疫反應。相對于pRib-AMP，2’cADPR性質(zhì)更穩(wěn)定，更適合開發(fā)為植物免疫激活劑。這為發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)提供了可以激發(fā)農(nóng)作物廣譜抗病性的新型“生物農(nóng)藥”，并能夠替代化學農(nóng)藥，減少對生態(tài)環(huán)境的負面影響。同時，一些細菌的TIR蛋白可以產(chǎn)生2’cADPR并激活植物的ETI免疫反應，進而該團隊揭示了植物和細菌免疫通路交互的分子機理。植物細胞內(nèi)感受器TIR蛋白介導的ETI抗性是農(nóng)作物抗病育種的重要靶標。因此，研究植物免疫受體及其工作機理，實現(xiàn)對植物免疫受體的人工定向改造，能夠解決植物病害問題。上述兩項成果共同揭示了在不同植物中保守的由小分子pRib-AMP和蛋白復合體EPA介導的免疫激活新機制，為植物病害防控提供了新型“生物農(nóng)藥”靶標。論文鏈接：1、2ROD1-OsTIR-EPA免疫級聯(lián)模型TIR蛋白產(chǎn)生2’cADPR并被轉(zhuǎn)化為pRib-AMP進而誘導EPA復合體激活植物免疫反應

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