作者:王二涛等 来源:《自然》 发布时间:2024/5/17 16:34:52
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植物如何实现免疫调控?中国科学家阐释“平衡之道”

 

5月15日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心(以下简称分子植物卓越中心)研究员王二涛团队、张余团队以及何祖华团队在水稻免疫机制研究上取得了重大突破,并发现了植物蛋白泛素化的新机制。相关研究发表于《自然》。

“这是一个非常有分子植物卓越中心特色的工作。”中国科学院院士何祖华强调,“一方面,我们开展的基础研究往往同国家需求相结合;另一方面,研究所不同实验室之间的交流非常紧密,通过多科学合作,共同‘啃下’硬骨头,解决重要科学问题。”

十年时间探寻植物平衡之道

“除了通过根直接吸收营养,大部分植物还会在‘小伙伴’的帮助下吸收土壤中的养分。”王二涛告诉《中国科学报》。

丛枝菌根菌就是这里提到的“小伙伴”,能够与植物的根部产生共生体——丛枝菌根。在菌根共生中,植物把光合作用产物以脂肪酸(王二涛团队的重大发现)等形式传递给真菌的同时,通过菌根从土壤获取磷、氮等营养成分。

值得注意的是,丛枝菌根菌同稻瘟病菌均属于真菌界,而后者会对水稻造成毁灭性病害。两类真菌的细胞表面都覆盖着一种名为几丁质的多聚糖类物质,共生菌根真菌通过释放大量短链几丁质,“告诉”植物为建立共生关系做准备;而病原菌“泄露”的长链几丁质,则“警示”植物激活免疫反应抵御危害。

王二涛团队在前期研究中发现,水稻细胞表面的关键受体蛋白OsCERK1能够接收来自于真菌的信号,特异性介导植物的共生或免疫反应。如果OsCERK1在植物体内表达量过多,将引发过度的免疫反应,阻碍植物与互惠菌根的共生,影响植物的生长发育。

OsCERK1为什么可以同时参与水稻的抗病和根菌的共生过程?是如何建立起两者之间的平衡关系的?

从2013年加入分子植物卓越中心的第一天开始,王二涛就开始试图去解答这些问题。

“我的第一批学生做的课题就和OsCERK1相关。”过去十余年间,王二涛和学生们围绕OsCERK1开展了系列工作,逐渐厘清了抗病和共生之间的关系。此次,他和合作者综合利用遗传、分子、生化和结构生物学等方法,阐明了植物协同调节免疫、共生和生长发育的分子机制。

王二涛指出:“我们发现了OsCERK1的一个新伴侣OsCIE1,它是一种E3泛素连接酶。”在没有病原菌侵染时,OsCIE1能够抑制OsCERK1的活性,防止免疫过度激活——就像在红灯时踩下汽车的刹车,防止发生意外。

而当水稻面临病原真菌入侵时,OsCERK1通过将磷酸基团分子添加至OsCIE1蛋白表面的关键区域,把“刹车”松开。此时,植物的免疫信号通路被激活,从而抵抗病原菌的侵染。

为了进一步了解“刹车”是如何制动的,王二涛团队同张余团队开展合作,解析了蛋白结构。结果发现,Ser237是控制OsCIE1“刹车”松紧的关键位点,当该位点被磷酸化修饰时,OsCERK1被不再被“束缚”,积极抵御病原菌。

由OsCIE1介导的泛素蛋白“制动器”调控OsCERK1共生产量/免疫平衡的机制示意图。图片由研究组提供

“挑战传统观点”

“这其实是我的第一个课题。”论文一作之一、王二涛研究组的博士后王钢是2014年加入团队的。从博士研究生到即将出站,他坦言“十年间走了不少弯路、犯了很多错误。”

课题初期,王钢发现OsCIE1对OsCERK1能够起到调控作用,但受限于当时还未建立起成熟的实验体系,突变体表型不稳定。

“OsCIE1在植物体内是有冗余的,后来我们把两个基因都突变掉,才表现出很强的免疫自激活表型。”王钢解释道。

水稻的双突变体中,细胞坏死明显增强,同时过度的免疫反应导致植物无法在室外的农田中生长。自此,王钢终于放下心,确定OsCIE1是一个免疫负调控因子。

但新的挑战又来了。

作为一种泛素连接酶,OsCIE1通过对目标蛋白进行泛素化修饰,从而起到调控作用。泛素化是一种常见的蛋白修饰方式,在以往认知中,蛋白一旦被打上“泛素”的标签,就会迎来被降解的命运。

然而,王钢花费了两年时间,尝试了各种实验方法,OsCERK1被OsCIE1泛素化后就是不降解。“现在回过头来看,我们一直在挑战传统的观点,所以必须拿到非常严谨的证据,才能把课题继续推进下去。”

在王二涛的鼓励下,王钢及其合作者决定去找寻调控的新路径,进而发现泛素化后,OsCERK1的激酶活性被抑制。

王二涛表示:“在植物中,这是第一次有确凿的证据证明多聚泛素化会抑制激酶活性,应该是泛素化领域比较重要的一个工作。”

面向“绿色农业生产”

目前,我国水稻生产主要面临两大挑战:生长过程中过度依赖化学农药,对环境和食品安全构成严重威胁;由于对磷、氮等营养元素的巨大需求,导致过度施肥,严重污染环境。

王二涛介绍:“考虑到OsCERK1在控制水稻菌根共生中的作用,我们可以让植物更高效地吸收营养物质,从而减少化肥的使用,推动绿色农业生产。”

2015年,王二涛团队第一次在水稻中发现了OsCERK1基因对于菌根共生的重要作用。目前,团队的合作者江西省农业科学院研究员黄仁良通过杂交的方法,得到了菌根共生效率高的新型水稻“赣菌稻1号”。

“这是世界上第一例菌根共生水稻在农业中的应用,施肥量降低了20-50%的情况下,水稻产量未受到影响。”王二涛补充。目前,团队正在玉米、小麦等植物中探索OsCERK1的应用价值。

“应用价值可以从基础的科学问题中‘冒’出来。”中国科学院院士、分子植物卓越中心主任韩斌认为,“这项研究从分子层面阐明了植物抗病和共生之间的平衡,将来可以再针对性地对植物进行改造,不断向应用拓展。”(来源:中国科学报 江庆龄)

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-024-07418-9

 
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