【青年报】水稻“抗癌”有了“广谱药”？上海科学家有重大发现
文章来源：分子植物科学卓越创新中心 | 发布时间：2021-12-16 | 【】 【】
水稻“抗癌”有了“广谱药”！上海科学家在此研究上有了新突破。2021年12月16日，国际顶尖学术期刊《自然》（nature）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研究团队的研究论文，揭示了一条全新的植物基础免疫代谢调控网络，让水稻也能“广谱抗病”，可以应对我国粮食作物最主要病害之一的“稻瘟病”。
探索植物“广谱抗癌”是国家迫切需求
稻瘟病可谓是我国粮食作物的“顽症”。1637年，宋应星《天工开物》将之命名为“发炎火”，在水稻整个生育期中都会发生，严重时减产40%-50%，甚至颗粒无收。
数据显示，20世纪80-90年代，稻瘟病在我国年均发病面积超过400万公顷，流行年份发病面积超过600万公顷。21世纪以来我国稻瘟病每年的发病面积在480万公顷（7000-8000万亩）左右，由于防控力度加大，水稻实际损失呈明显波动性下降趋势。据统计，全球范围内每年因稻瘟病造成的损失高达水稻总产量的10%。我国不同稻区均是稻瘟病的易发区，每年因稻瘟病发病直接损失稻谷约30亿公斤。
为此，我国也对稻瘟病防控出台了两个法规。农业部规定自2008年起我国水稻新品种审定实行稻瘟病抗性的“一票否决”制。2020年农业农村部根据《农作物病虫害防治条例》，将稻瘟病列为我国《一类农作物病虫害目录》。
目前，我国的水稻抗病育种有两种方法。一是单基因育种，利用筛选出的单个抗源作为亲本进行杂交选育抗病新品种，但由于稻瘟病菌小种多变，这种方法培育的抗病品种往往推广3年后就丧失抗病性。另一种是多基因育种，通过多次杂交选育将不同的抗病基因聚合到一个新品种中。困难在于可用的抗病基因不对，多基因聚合育种选择难度大、周期长，多抗病基因聚合在一个品种中往往导致产量和品质降低。
因此，寻找和利用具有广谱、持久的抗性基因，挖掘和培育新的广谱持久抗病品种是目前迫切的国家需求。
研究发现，植物细胞内的免疫受体nlr 受体基因对于农作物广谱抗病育种发挥重要作用，而如何有效解析并应用广谱抗病nlr基因是目前农作物抗病育种的主要技术瓶颈。同时，探索免疫受体尤其是广谱抗病的nlr受体如何在与病原菌在“军备竞赛”中，通过增强植物的防卫代谢以获得广谱抗病性，一直是植物病理和农作物育种领域的重大科学难题。
找到了植物与病原菌对抗的重要“化学装备”
何祖华研究团队这篇题为 “nlrs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity（nlr免疫受体保护植物防卫代谢并协同免疫反应）”的研究论文，揭示了一条全新的植物基础免疫代谢调控网络，水稻广谱抗病nlr免疫受体蛋白通过保护初级防卫代谢通路免受病原菌攻击，协同整合植物基础抗病性（pti）和专化性抗性（eti）两层免疫系统，赋予水稻广谱抗病性的新机制。
研究过程正是一个典型的植物与病原菌“军备竞赛”的范例，防卫代谢“pici1—蛋氨酸—乙烯”的生化反应过程作为植物和病原菌争夺的重要“化学装备”，对于植物获得广谱抗病的“全面胜利”起着至关重要的作用。
该研究团队综合运用田间及遗传、分子生物学和生物化学等实验技术平台，鉴定到一个新的水稻免疫调控蛋白pici1。该蛋白通过增强蛋氨酸的初级合成，进而促进植物防卫激素乙烯的生物合成，而乙烯直接参与激发水稻的基础抗病性（pti）。
然而由于病原菌进化出一系列的毒性蛋白，通过直接靶向降解pici1，抑制水稻的免疫反应，以促进病原菌的入侵。
研究发现，水稻进化产生的广谱抗病nlr受体可以与病原菌毒性蛋白展开“军备竞赛”，通过竞争性与pici1互作，使其免受病原菌毒性蛋白的降解，进而保护并加强植物对抗病原菌的“化学装备”生产，激发更为强烈的专化性抗性（eti），来增强植物的防卫代谢以获得广谱抗病性。
此外，研究团队通过对3000份水稻品种的基因组数据进行分析，挖掘到pici1优异的田间抗病变异位点，为水稻抗病育种提供了新的思路和靶点。通过加强水稻“pici1—蛋氨酸—乙烯”化学防卫代谢网络，有望达到水稻广谱持久抗稻瘟病的目的，并降低农药的施用，为农业生产的可持续发展提供新的策略。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后翟科然、博士研究生梁迪为论文共同第一作者，何祖华研究员为通讯作者。该研究工作得到了中国科学院分子植物科学卓越创新中心韩斌院士、文啟光研究员和王二涛研究员，南方科技大学郭红卫教授，扬州大学张林教授等的合作，也得到了中国水稻研究生魏兴华研究员、华南农业大学张桂权教授等在育种材料上的帮助。同时，该研究工作得到了国家自然科学基金委基础科学中心和重点项目、中科院先导项目、国家重点研发计划等资助。
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