“背靠背”发现植物免疫激活新机制

转自：中国科学报

2020年5月，万里结束了美国北卡罗莱纳大学教堂山分校的博士后工作，加入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），以模式植物拟南芥和烟草为主要研究对象，探索植物免疫系统相关的基础科学问题。当时他关注的一个问题是，小分子环腺苷磷酸核糖（cADPR）的同分异构体2’cADPR，如何影响了植物的免疫系统，进而影响了植物的抗病性。

时任分子植物卓越中心研究员邓一文第一时间联系了万里。他们团队发现了一个免疫信号通路，对于水稻的广谱抗病性起到了重要作用。“这个通路在拟南芥中已经报道了，万老师是这个领域的专家，我们希望能够借鉴拟南芥中的一些研究思路。”邓一文说道。

11月8日，两项成果以“背靠背”的形式在线发表于《科学》。其中，分子植物卓越中心研究员何祖华团队、张余团队，复旦大学研究员高明君团队以及浙江大学教授邓一文团队合作完成了题为“一个经典的蛋白复合体调控免疫稳态与多病原菌抗性”的研究成果；万里团队则在“植物和细菌的免疫信号介导植物细胞内免疫受体的激活”方面取得新进展。

两者殊途同归，为人们了解植物如何保护自己提供了新的见解。

以植物免疫守护粮食安全

“水稻是我国的主粮，但常年遭受病害影响，导致平均减产10%~30%。”邓一文告诉《中国科学报》，近十年来，我国水稻病虫害的发生面积每年达1800~2700万公顷，相对应的，稻谷损失达130~200万吨。

与此同时，大量使用化学农药控制农作物病虫害，不仅破坏了生态环境，还威胁人们健康。

“培育广谱抗病品种是保障我国粮食安全、发展绿色农业、维护生态环境的重要举措。”邓一文强调，“发掘广谱持久抗病基因，揭示植物免疫激活调控广谱抗病的分子机制，则是农作物抗病育种的重要理论基础。”

由此，植物免疫一经发现，就引起了全球科学家的关注。近20年间，国内外植物病理学家逐步建立起了植物免疫的基本框架。

万里介绍，植物免疫的本质是识别“非我”，即通过识别病原微生物而激活自身的免疫反应，该系统由两道防线组成。

第一道防线是通过植物细胞表面感受器识别病原菌后产生的基础抗病性（PTI）。这道防线相对温和，且容易被病原菌分泌的毒性蛋白所突破。

由此，植物在进化中产生了第二道防线。突破第一道防线的毒性蛋白被植物细胞内的感受器NLR蛋白识别，进而引起专化性抗性（ETI），这道防线发生的反应十分强烈，且能赋予植物强抗病性。

但第二道防线被触发，需要特定的毒性蛋白激发特定的NLR感受器蛋白，目前在植物抗病育种和病虫害防治中，仍缺乏有效的方法激活植物的第二道免疫防线。

压制水稻广谱抗病的“五指山”

自2000年加入中国科学院上海植物生理生态研究所（分子植物卓越中心前身）以来，何祖华就在同水稻病害“较劲”。二十余年间，何祖华团队在水稻广谱抗病机制与育种理论上取得系列成果，同时，包括高明君和邓一文在内，近30位课题组组长在这个团队成长起来。

时间回到2010年，高明君是何祖华课题组的一名博士研究生，经过4年时间漫长的探索，他们发现了一个水稻免疫抑制基因ROD1。

一直到2021年，ROD1调控水稻免疫反应的机制终于被阐明。ROD1是一个水稻的钙离子感受器，当基因突变时，会引起水稻体内的活性氧积累，产生免疫自激活反应，显著提高水稻对多个病原菌的抗性。

何祖华院士团队在田间试验。图片由科研团队提供

为了进一步了解ROD1抑制水稻免疫激活的信号网络，何祖华团队及合作者从水稻免疫抑制子回复突变入手，首次鉴定到禾本科作物的细胞内感受器OsTIR蛋白。

TIR蛋白在进化上十分保守，以往研究表明，在拟南芥、烟草等双子叶植物中，TIR结构域可以做作为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）以及DNA/RNA的双功能水解酶发挥作用。

“我们首次在禾本科植物中发现，TIR蛋白具有同样的功能。如果说OsTIR蛋白是‘孙悟空’，那么ROD1就是压制它的五指山上的六字符贴，当病虫害发生时，五指山上的六字符帖被解除，OsTIR蛋白被释放出来大展身手。”邓一文解释，OsTIR蛋白被激活后，产生pRib-AMP小分子。生成的小分子则起到了粘合剂的作用，把水稻中的蛋白OsEDS1/OsPAD4和OsADR1招募到一起，形成免疫复合体EPA，进而产生对多种病原菌的广谱抗性。

但是，如果任由这个免疫过程持续发生，则会产生免疫自激活表型，引起水稻植株矮小、结实率大幅降低。因此，在正常生长发育条件下，需要由ROD1“压制”住OsTIR，从源头上阻止免疫反应的发生。

《科学》的3位审稿人对这项研究给出了颇为一致的评价，其中一位提到：“这个发现完美地展示了TIR与EPA蛋白复合体的分子和结构联系，是一个非常漂亮的工作。”

“我们的研究揭示了一个五组分的信号网络调控植物免疫稳态的分子机制，为育种学家培育广谱抗多种病原菌的作物新品种提供了理论基础和靶标基因。”邓一文表示。目前，团队正在计划在玉米等单子叶作物中进一步验证。

新型“生物农药”靶标

2019年，万里同合作者鉴定了TIR结构域的作用机制，发现该结构域可以通过降解NAD+分子促进植物细胞死亡。而NAD+分子降解后生成的小分子，正是2’cADPR。

2022年，西湖大学教授柴继杰团队进一步发现，NAD+分子在TIR结构域的作用下，也可以生成另一种小分子pRib-AMP。

“两个小分子的结构非常接近，但因为一个微小的差异，2’cADPR的结构在体内外均很稳定，而pRib-AMP则很不稳定。”万里表示。

诱导形成EPA蛋白复合体的到底是哪种小分子？带着这个问题，万里团队开始了进一步探索，最终发现，2’cADPR可作为前体，在植物体内被转化生成pRib-AMP，从而激活EPA免疫复合体，提高植物抗病性。

更为惊喜的是，当用2’cADPR直接处理拟南芥时，就可诱发其强抗病性，实现在没有特定病原菌侵染的情况下人为可控地激活ETI免疫反应。

“这个发现提供了一种能够激发农作物广谱抗病性的新型‘生物农药’，从而有效替代化学农药，减少对生态环境的负面影响。”万里补充道，由于TIR蛋白在生物中十分保守，一些细菌的TIR蛋白也可以产生2’cADPR并激活植物的ETI免疫反应，展现了2’cADPR在农业中应用的潜力。

结构生物学助力科学发现

值得一提的是，两项研究中均用到了结构生物学的方法对结果进行验证，蛋白复合体的结构由张余团队的博士研究生徐炜莹完成。

接到课题时，徐炜莹刚完成硕转博的考核。“张老师把这两个课题交给我时，一方面强调了课题的意义，另一方面也提醒我这个领域的竞争很激烈，有很多挑战。”

在几个团队之间的通力配合之下，在师生们一次次的头脑风暴之下，经过两年时间，拟南芥和水稻中EPA复合体的结构均被顺利解析。

“从结构上理解了小分子是诱导水稻3个蛋白形成EPA复合体，进而激活免疫的过程。”“通过结构生物学的方法，明确了在拟南芥中诱导形成复合体的小分子是pRib-AMP，而非2’cADPR。” 邓一文和万里分别表示。

“结构生物学的魅力，在于‘眼见为实’，能够让我们直观地理解一些生命现象。”张余说道，“除了基础研究，在农业应用方面也有非常大的潜力，目前已经有非常多的单位在开展相关工作，利用结构生物学的方式改造作物的重要性状。”

张余介绍，在育种领域，科研人员已经利用遗传学和分子生物学的方法成功识别出众多与农作物性状调控紧密相关的基因。下一步，则是通过精确设计，优化相关的性状，从而更好地利用这些基因资源。要实现这个目标，首要任务就是深入理解每个基因及其工作机制，结构生物学将在其中发挥重要作用。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1126/science.adr2138

https://doi.org/10.1126/science.adr3150

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