水稻“抗癌”有了“廣譜藥”！上?？茖W(xué)家在此研究上有了新突破。2021年12月16日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心何祖華研究團(tuán)隊(duì)的研究論文，揭示了一條全新的植物基礎(chǔ)免疫代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，讓水稻也能“廣譜抗病”，可以應(yīng)對我國糧食作物最主要病害之一的“稻瘟病”。

探索植物“廣譜抗癌”是國家迫切需求

稻瘟病可謂是我國糧食作物的“頑癥”。1637年，宋應(yīng)星《天工開物》將之命名為“發(fā)炎火”，在水稻整個生育期中都會發(fā)生，嚴(yán)重時減產(chǎn)40%-50%，甚至顆粒無收。

數(shù)據(jù)顯示，20世紀(jì)80-90年代，稻瘟病在我國年均發(fā)病面積超過400萬公頃，流行年份發(fā)病面積超過600萬公頃。21世紀(jì)以來我國稻瘟病每年的發(fā)病面積在480萬公頃（7000-8000萬畝）左右，由于防控力度加大，水稻實(shí)際損失呈明顯波動性下降趨勢。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球范圍內(nèi)每年因稻瘟病造成的損失高達(dá)水稻總產(chǎn)量的10%。我國不同稻區(qū)均是稻瘟病的易發(fā)區(qū)，每年因稻瘟病發(fā)病直接損失稻谷約30億公斤。

為此，我國也對稻瘟病防控出臺了兩個法規(guī)。農(nóng)業(yè)部規(guī)定自2008年起我國水稻新品種審定實(shí)行稻瘟病抗性的“一票否決”制。2020年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部根據(jù)《農(nóng)作物病蟲害防治條例》，將稻瘟病列為我國《一類農(nóng)作物病蟲害目錄》。

目前，我國的水稻抗病育種有兩種方法。一是單基因育種，利用篩選出的單個抗源作為親本進(jìn)行雜交選育抗病新品種，但由于稻瘟病菌小種多變，這種方法培育的抗病品種往往推廣3年后就喪失抗病性。另一種是多基因育種，通過多次雜交選育將不同的抗病基因聚合到一個新品種中。困難在于可用的抗病基因不對，多基因聚合育種選擇難度大、周期長，多抗病基因聚合在一個品種中往往導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)降低。

因此，尋找和利用具有廣譜、持久的抗性基因，挖掘和培育新的廣譜持久抗病品種是目前迫切的國家需求。

研究發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞內(nèi)的免疫受體NLR 受體基因?qū)τ谵r(nóng)作物廣譜抗病育種發(fā)揮重要作用，而如何有效解析并應(yīng)用廣譜抗病NLR基因是目前農(nóng)作物抗病育種的主要技術(shù)瓶頸。同時，探索免疫受體尤其是廣譜抗病的NLR受體如何在與病原菌在“軍備競賽”中，通過增強(qiáng)植物的防衛(wèi)代謝以獲得廣譜抗病性，一直是植物病理和農(nóng)作物育種領(lǐng)域的重大科學(xué)難題。

找到了植物與病原菌對抗的重要“化學(xué)裝備”

何祖華研究團(tuán)隊(duì)這篇題為 “NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity（NLR免疫受體保護(hù)植物防衛(wèi)代謝并協(xié)同免疫反應(yīng)）”的研究論文，揭示了一條全新的植物基礎(chǔ)免疫代謝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，水稻廣譜抗病NLR免疫受體蛋白通過保護(hù)初級防衛(wèi)代謝通路免受病原菌攻擊，協(xié)同整合植物基礎(chǔ)抗病性（PTI）和?；钥剐裕‥TI）兩層免疫系統(tǒng)，賦予水稻廣譜抗病性的新機(jī)制。

研究過程正是一個典型的植物與病原菌“軍備競賽”的范例，防衛(wèi)代謝“PICI1—蛋氨酸—乙烯”的生化反應(yīng)過程作為植物和病原菌爭奪的重要“化學(xué)裝備”，對于植物獲得廣譜抗病的“全面勝利”起著至關(guān)重要的作用。

該研究團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用田間及遺傳、分子生物學(xué)和生物化學(xué)等實(shí)驗(yàn)技術(shù)平臺，鑒定到一個新的水稻免疫調(diào)控蛋白PICI1。該蛋白通過增強(qiáng)蛋氨酸的初級合成，進(jìn)而促進(jìn)植物防衛(wèi)激素乙烯的生物合成，而乙烯直接參與激發(fā)水稻的基礎(chǔ)抗病性（PTI）。

然而由于病原菌進(jìn)化出一系列的毒性蛋白，通過直接靶向降解PICI1，抑制水稻的免疫反應(yīng)，以促進(jìn)病原菌的入侵。

研究發(fā)現(xiàn)，水稻進(jìn)化產(chǎn)生的廣譜抗病NLR受體可以與病原菌毒性蛋白展開“軍備競賽”，通過競爭性與PICI1互作，使其免受病原菌毒性蛋白的降解，進(jìn)而保護(hù)并加強(qiáng)植物對抗病原菌的“化學(xué)裝備”生產(chǎn)，激發(fā)更為強(qiáng)烈的?；钥剐裕‥TI），來增強(qiáng)植物的防衛(wèi)代謝以獲得廣譜抗病性。

此外，研究團(tuán)隊(duì)通過對3000份水稻品種的基因組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘到PICI1優(yōu)異的田間抗病變異位點(diǎn)，為水稻抗病育種提供了新的思路和靶點(diǎn)。通過加強(qiáng)水稻“PICI1—蛋氨酸—乙烯”化學(xué)防衛(wèi)代謝網(wǎng)絡(luò)，有望達(dá)到水稻廣譜持久抗稻瘟病的目的，并降低農(nóng)藥的施用，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供新的策略。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后翟科然、博士研究生梁迪為論文共同第一作者，何祖華研究員為通訊作者。該研究工作得到了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心韓斌院士、文啟光研究員和王二濤研究員，南方科技大學(xué)郭紅衛(wèi)教授，揚(yáng)州大學(xué)張林教授等的合作，也得到了中國水稻研究生魏興華研究員、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)張桂權(quán)教授等在育種材料上的幫助。同時，該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心和重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等資助。

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