本文轉自：人民日報客戶端
黃曉慧
水稻生長過程中常常受到稻瘟病等病原真菌的侵擾。化學農藥能破除這些侵擾，保護水稻的健康生長和豐產，然而過度使用農藥對環境和食品安全構成嚴重威脅。水稻對磷、氮等營養元素的需求大，但大量施用化肥同樣汙染環境。如何減少化肥農藥用量又能確保水稻健康生長？深入探索水稻免疫和共生營養吸收的機制，提高作物的抗病性和營養吸收，成為農作物育種的重要方向之一。
5月15日，國際頂級學術期刊【自然】以「水稻透過釋放泛素制軔器來啟用由OsCERK1介導的免疫反應」為題，發表中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤團隊、張余團隊以及何祖華院士團隊的研究成果。這項水稻免疫機制研究上的重大突破，為深入理解植物如何巧妙使用免疫系統這把「雙刃劍」協調抗病、共生和生長奠定了理論基礎。
據介紹，該研究發現了一種名為OsCIE1的調控蛋白能夠束縛OsCERK1激酶活性。在無病原菌侵染的時期，OsCIE1能夠像「緊箍圈」一樣，將一種名為泛素的小蛋白分子連線到OsCERK1蛋白表面，抑制OsCERK1的激酶活性，防止免疫過度啟用。然而，當水稻面臨病原真菌入侵時，真菌細胞壁上的長鏈幾丁質迅速誘導OsCERK1的激酶活性。該激酶將磷酸基團分子添加至OsCIE1蛋白表面的關鍵區域，抑制OsCIE1限制OsCERK1的能力，從而解除「緊箍圈」的束縛。此時，免疫訊號通路被OsCERK1成功啟用，啟動植物免疫反應，抵抗病原菌的侵染。
值得註意的是，促進水稻營養吸收和生長的叢枝菌根菌與對水稻造成淪陷性病害的稻瘟病菌均屬於真菌。它們的細胞表面都覆蓋著一種名為幾丁質的多聚醣類物質。那麽植物又是如何區分「有益」還是「有害」微生物的呢？原來「長短有別」。短鏈幾丁質可以作為共生訊號，而長鏈幾丁質則會觸發植物的抗病免疫反應。在建立互惠互利伴侶關係時，共生菌根真菌會釋放大量短鏈幾丁質作為訊號，通知植物為建立伴侶關係做準備。而病原菌則會極力避免幾丁質分子的泄露，尤其是長鏈幾丁質，以免被植物辨識並啟用免疫反應。水稻細胞表面的關鍵受體蛋白OsCERK1能夠辨別免疫訊號或是共生訊號，特異介導植物的共生或免疫反應。但這也需要一定監管，若受體OsCERK1觸發的免疫反應失控，將引發過度的免疫反應，雖然對病原體抵抗增強，但也阻礙了植物生長和與互惠菌根共生的建立。關於水稻體內如何有效調控這種潛在的過度啟用的免疫反應，長久以來一直是科研界尚待揭曉的謎團。
該研究解開了這一謎團。科研人員利用結構生物學方法，精確鑒定了控制OsCIE1「緊箍圈」松緊的關鍵位點Ser237。當Ser237位點被OsCERK1磷酸化修飾時，如同緊箍咒失效，OsCERK1便可展現其威力，積極抵禦外敵。而一旦Ser237位點未被磷酸化，「緊箍圈」再次發揮作用，OsCERK1則恢復平靜。
抵禦外敵的同時，OsCERK1控制水稻菌根共生的建立，使叢枝菌根真菌進入植物根系，並利用其發達的菌根網路協助水稻更高效地吸收磷、氮等關鍵營養物質，促進水稻的生長發育。因此，該研究揭示了OsCIE1這一「緊箍圈」及其「緊箍咒」Ser237磷酸化位點，在植物免疫和共生中的作用，不僅闡明了植物協同調節免疫、共生和生長發育的分子機制，同時也為未來綠色農業生產提供了基因資源。
據王二濤介紹，這項長達8年的基礎研究，目前已在向產業套用邁進。研究團隊的合作者，在江西示範種植1萬畝含OsCERK1優良等位基因的水稻品種，在減少25%的化肥使用情況下，仍能保持產量不變。該研究成果在玉米、小麥等農作物種植領域的套用前景同樣十分廣闊。
王二濤研究團隊多年來致力於植物與微生物共生機理和套用的創新研究，並在該領域取得了豐碩的研究成果。他們的研究工作不僅揭示了植物辨識區分共生菌與病原菌的分子機制，也為作物透過微生物高效獲取營養奠定了堅實的基礎。
由OsCIE1介導的泛素蛋白「制軔器」調控OsCERK1共生產量/免疫平衡的機制示意圖。中國科學院分子植物科學卓越創新中心提供
