植物防卫的艺术：广谱抗病与生存代价

科学家发现植物免疫抑制与广谱抗病分子新机制

何祖华研究员带领学生在田间调查水稻抗病性。 课题组供图

ROD1介导的免疫反应作用模型。 课题组供图

水稻是我国最重要的粮食作物之一。但近年来，水稻病虫害发生情况严重，病虫害种类多、发生范围广，呈现多发、频发、老病新发态势，对我国农业生产和粮食安全构成严重威胁。因此，为了有效控制水稻病害，保障我国粮食高产稳产，作物育种学家和病理学家长期致力于选育广谱持久的水稻抗病品种，但高抗的水稻品种往往生长发育受到限制，导致产量降低，即以牺牲生长发育为代价换取抗病性以实现最终的生存。

那么，如何在水稻抗病的同时不影响其产量性状，维持好植物抗病与生长发育的平衡？此外，面对病原菌的不断进化，如何让植物的免疫屏障有效抵御不同病原菌的反复进攻？

针对这些问题，中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究团队经过15年不懈追踪，终于获得了答案。

9月30日晚23时，何祖华研究团队在《细胞》在线发表论文。这是该研究团队继2017年在《科学》发表水稻广谱抗病新机制后的又一重大进展。这项研究揭示了水稻钙离子新感受子ROD1精细调控水稻免疫，降低水稻因广谱抗病而引发的生存代价，平衡水稻抗病性与生殖生长和产量性状的分子机制。

研究人员发现ROD1作为一个新的植物免疫抑制中枢，通过降解具有免疫活性的超氧分子（ROS），从而抑制植物的防卫反应。因此，在没有病原菌侵染时，植物的基础免疫维持在较低水平，有利于水稻生殖生长，进而提高产量。但当病原菌侵染时，植物进化出了聪明的免疫激发新途径：通过降解ROD1减弱其功能，从而保证植物在抵御病原菌时能产生有效的防卫反应，不至于迅速发病枯死，并能繁殖后代。

另一方面，病原菌和植物长期处于“军备竞赛”的协同进化过程中。研究发现水稻稻瘟病菌会进化出模拟ROD1结构的毒性蛋白，在植物体内盗用ROD1的免疫抑制途径，实现侵染的目的。由于植物无法逃避病原菌的侵染，因此进化出了与病原菌共同生存的策略：通过适当减弱植物的抗病能力，来保证其生长繁殖，延续后代，让植物抗病性与繁殖力维持相对平衡的水平。这就是植物聪明的生存之道。

“以往相关研究聚焦在钙离子信号如何激活植物免疫的问题，但这项成果揭示了一条以钙离子受体ROD1为核心的免疫抑制新通路，以及植物与病原菌利用蛋白质结构模拟介导的协同进化机制，为植物免疫领域研究提供重要的新启示。“何祖华告诉《中国科学报》，该研究首次说明作物能够选择与气候或栽培条件相适应的免疫策略，让植物抗病能力与生长发育即环境适应性达到最佳平衡。该研究组进一步挖掘ROD1的育种应用价值，通过对3000多种不同水稻品种的基因序列分析，发现ROD1单个氨基酸的改变可以影响其抗性和地理分布，说明作物抗病性受地域起源的选择，丰富了作物驯化的理论基础。

此外，研究人员还发现ROD1的功能在禾谷类作物中是保守的，从而提出了可以通过编辑或操纵这类新的感病基因实现广谱抗病的新策略，对培育高产高抗的作物品种具有重要的指导意义和应用潜力。

由于种植制度的改变和气候变化，各种农作物病原菌在全国范围内蔓延，对农业生产造成巨大损失，严重威胁粮食安全。这项研究不仅拓宽了人们对于作物抗病性基础理论的认知，也为设计新的抗病基因、开发高产抗病作物品种提供了新的研发思路，对促进我国农业科学的发展、提升国际前沿研究水平具有重要意义。

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.009