今天我们关注来自中国科学院分子植物卓越创新中心何祖华课题组，该课题组主要研究模式植物（水稻和拟南芥）抗病调控基因的克隆与信号转导, 重点研究水稻对真菌病害（稻瘟病和纹枯病）和拟南芥对水稻病害非寄主抗性的调控机制和信号途径，尤其是作物广谱抗病的基因及其分子机制。我们公众号iPlants通过在Pubmed查询发现该课题组在近1年（202105-202204）发表了4篇高水平的文章，其中包括Nature、Cell、Nature Genetics和 Science advance等4篇通讯文章。同时该课题组在2017年发表Science文章，成功克隆了持久广谱抗稻瘟病基因Pigm，并揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制，并被评为2017年中国生命科学十大进展！其文章的数量和质量在世界植物抗病研究领域也是名列前茅。
以下是该课题的代表作详细解读：
1. 2021年12月16日，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组完成的题为 “NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity” 的研究论文，该研究揭示了一条全新的广谱免疫代谢调控网络。研究发现，水稻广谱抗病NLR受体蛋白通过保护免疫代谢通路免受病原菌攻击，协同整合植物PTI和ETI，进而赋予水稻广谱抗病性的新机制。
该研究团队综合利用植物病理学、蛋白组学、遗传学、分子和生化等实验技术平台，鉴定到一个新的免疫调控蛋白PICI1。进一步揭示了一条全新的植物防卫代谢通路—PICI1通过增强蛋氨酸合酶的蛋白稳定性，强化蛋氨酸合成，促进抗病激素乙烯的生物合成，从而调控水稻的抗病性。值得注意的是，该免疫代谢调控网络（PICI1-蛋氨酸-乙烯）既参与水稻的基础抗病性（PTI）又调控NLR介导的专化型抗病性（ETI）。
该研究首次回答了植物在与病原菌协同进化过程中，如何通过增强防卫代谢以获得广谱抗病性的重要科学问题。同时，也从基础代谢的角度揭示了水稻NLR受体介导的专化性抗病性依赖于基础抗病性的保守机制，为水稻及农作物的抗病育种设计奠定了理论基础。
NLR通过保护PICI1-蛋氨酸-乙烯通路行使广谱抗病性的模式图
2. 2021年9月30日，Cell杂志在线发表了来自中科院分子植物卓越中心何祖华课题组和杨卫兵课题组和钟祥斌博士为共同通讯作者题为“Ca2+ Sensor-Mediated ROS Scavenging Suppresses Rice Immunity and Is Exploited by a Fungal Effector”的研究论文。这是该研究团队继2017年在《科学》（Science）发表水稻广谱抗病新机制后的又一重大进展。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。
该研究首次按通过水稻资源抗病性筛选, 鉴定到1个对稻瘟病、纹枯病和白叶枯病均表现高抗的隐性突变基因rod1 (图1), 该突变在增强水稻免疫反应的同时, 导致生长发育迟滞, 但在自然病圃条件下rod1突变体长势更好且产量更高。
进一步通过图位克隆发现ROD1是1个C2结构域钙感应蛋白, 且其生物学功能依赖钙离子结合能力, 其基因序列和功能在被子植物中高度保守。酵母双杂筛选发现, ROD1可与过氧化氢酶CatB互作, 将后者从过氧化物酶体转至质膜。这一过程可能与ROD1的磷脂结合能力相关。已知过氧化氢酶在拟南芥免疫反应中发挥负调控作用; 同样, 在水稻中利用基因编辑敲除CatB增强了免疫反应和抗病性。进一步的生化实验和功能实验表明, ROD1能促进CatB的酶活, 从而降解免疫过程中产生的活性氧, 且这一功能依赖ROD1的钙结合能力。在大麦(Hordeum vulgare)免疫受体在本氏烟(Nicotiana benthamiana)系统中表达会导致活性氧爆发和细胞死亡, 共表达ROD1和CatB则能抑制此类免疫反应。钙信号和活性氧是相互联动的信号分子, 在植物免疫信号转导中极为重要。上述一系列分析表明, ROD1和CatB组成一个Ca2+-活性氧信号轴, 负调控植物免疫, 防止因过度免疫导致生长发育迟滞。
ROD1招募过氧化氢酶CatB到细胞质膜附近清除活性氧
另一方面，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。
稻瘟病菌效应蛋白AvrPiz-t模拟ROD1的结构及功能
综上所述，该研究发现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。
该研究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。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。
ROD1介导的免疫反应作用模型
3. 2017年2月2日，Science在线发表了中科院上海植物生理生态研究所何祖华研究组题与合作者完成的关于水稻持久广谱抗病的最新研究成果为“Epigenetic regulation of antagonistic receptors confers rice blast resistance with yield balance”的研究论文。该研究成功克隆了持久广谱抗稻瘟病基因Pigm，并揭示了水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制。
稻瘟病是真菌(Magnaporthe oryzae)引起，水稻最重要病害之一。分布在全国乃至世界各稻区，可引起水稻大幅度减产，严重时减产40%～50%，甚至颗粒无收，因此我国水稻新品种审定从2008年开始实行稻瘟病抗性的“一票否决”制。控制这个病害最经济有效的方法是发掘和利用新的广谱持久抗病资源进行选育广谱抗病新品种。截至目前，已有25个抗稻瘟病基因被克隆和功能鉴定，但绝大部分抗谱窄，带这些基因的抗病品种一般推广3年后就被稻瘟病菌克服丧失抗性，在水稻抗病育种上应用价值受到很大限制。另一方面，采用抗病基因聚合方法可以提高水稻抗病性但会影响产量和品质-即存在抗病性代价问题。
为解决这个长期困扰植物病理和育种界的瓶颈问题，中国科学院上海植物生理生态研究所的何祖华团队与育种家合作，从2002开始，广泛筛选抗瘟种质，从起源于我国农家品种的育种材料中鉴定了一个广谱持久抗瘟性新位点Pigm。研究发现，Pigm是一个包含多个NBS-LRR类抗病基因的基因簇。其中只有2个具有功能的蛋白PigmR和PigmS。PigmR在水稻的叶、茎秆、穗等器官组成型的表达，可以自身互作形成同源二聚体，发挥广谱抗病功能，但PigmR导致水稻千粒重降低，产量下降。与PigmR相反，PigmS受到表观遗传的调控，仅在水稻的花粉中特异高表达，在叶片、茎秆等病原菌侵染的组织部位表达量很低，但可以提高水稻的结实率，抵消PigmR对产量的影响。PigmS可以与PigmR竞争形成异源二聚体抑制PigmR介导的广谱抗病性。但由于PigmS低水平的表达，为病原菌提供了一个“避难所”，病原菌的进化选择压力变小，减缓了病原菌对PigmR的致病性进化，因此Pigm介导的抗病具有持久性。利用Pigm改良选育的品种既有广谱持久抗病性又不影响最终的产量。这个基因已经被国内30多家种子公司和育种单位应用于水稻抗病分子育种，已经有新品种参加区试和品种审定。因此本研究不仅在理论上扩展了植物免疫与抗病性机制的认识，也为作物抗病育种提供了有效的新工具。
转自：“iPlants”微信公众号
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