水稻是我國主要的糧食作物。水稻生產(chǎn)面臨著挑戰(zhàn)：一是水稻生長過程中常受到稻瘟病菌等病原真菌的侵?jǐn)_，過度依賴化學(xué)農(nóng)藥，從而對環(huán)境和食品安全構(gòu)成威脅；二是水稻對磷、氮等營養(yǎng)元素的需求，導(dǎo)致過度施肥，污染環(huán)境。因此，探索水稻免疫和共生的機(jī)制，提高作物抗病性和營養(yǎng)吸收，是農(nóng)作物育種的重要方向。

促進(jìn)水稻營養(yǎng)吸收和生長的叢枝菌根真菌與對水稻造成毀滅性病害的稻瘟病菌均屬于真菌。它們的細(xì)胞表面均覆蓋著名為幾丁質(zhì)的多聚糖類物質(zhì)。那么，植物如何區(qū)分“有益”和“有害”微生物？原來是“長短有別”：短鏈幾丁質(zhì)可以作為共生信號，而長鏈幾丁質(zhì)則會觸發(fā)植物的抗病免疫反應(yīng)。在建立互惠互利共生關(guān)系時，共生菌根真菌會釋放大量短鏈幾丁質(zhì)作為信號，通知植物為建立共生關(guān)系做準(zhǔn)備。而病原菌則會避免幾丁質(zhì)分子的“泄漏”，尤其是長鏈幾丁質(zhì)，以免被植物識別并激活免疫反應(yīng)。水稻細(xì)胞表面的關(guān)鍵受體蛋白OsCERK1能夠辨別免疫信號或共生信號，特異介導(dǎo)植物的免疫或共生反應(yīng)。然而，這需要一定的監(jiān)管。若受體OsCERK1觸發(fā)的免疫反應(yīng)失控，將引發(fā)過度的免疫反應(yīng)。這雖然對病原體抵抗增強(qiáng)，但阻礙了植物生長和與互惠菌根共生的建立。關(guān)于水稻體內(nèi)如何有效調(diào)控這種潛在的過度激活的免疫反應(yīng)，一直是尚待揭曉的謎團(tuán)。

5月15日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤團(tuán)隊、張余團(tuán)隊以及何祖華院士團(tuán)隊，在水稻免疫機(jī)制研究中取得了重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以《水稻通過釋放泛素制動器來激活由OsCERK1介導(dǎo)的免疫反應(yīng)》（Release of a ubiquitin brake activates OsCERK1-triggered immunity in rice）為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上，為剖析植物如何巧妙使用免疫系統(tǒng)這把雙刃劍協(xié)調(diào)抗病、共生和生長的平衡奠定了理論基礎(chǔ)。

該研究發(fā)現(xiàn)了名為OsCIE1的調(diào)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“剎車閘”一樣，將名為泛素的小蛋白分子連接到OsCERK1蛋白表面，抑制OsCERK1的激酶活性，防止免疫過度激活。然而，當(dāng)水稻面臨病原真菌入侵時，真菌細(xì)胞壁上的長鏈幾丁質(zhì)迅速誘導(dǎo)OsCERK1的激酶活性。該激酶將磷酸基團(tuán)分子添加至OsCIE1蛋白表面的關(guān)鍵區(qū)域，抑制OsCIE1限制OsCERK1的能力，從而解除“剎車閘”的束縛。此時，免疫信號通路被OsCERK1激活，啟動植物免疫反應(yīng)，抵抗病原菌的侵染。

科研人員利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法，鑒定了控制OsCIE1“剎車閘”松緊的關(guān)鍵位點Ser237。當(dāng)Ser237位點被OsCERK1磷酸化修飾時，如同剎車閘失效，OsCERK1便可展現(xiàn)其威力，積極抵御外敵。而一旦Ser237位點未被磷酸化，“剎車閘”再次發(fā)揮作用，OsCERK1則恢復(fù)平靜。

研究顯示，抵御外敵的同時，OsCERK1控制水稻菌根共生的建立，使叢枝菌根真菌進(jìn)入植物根系，并利用其發(fā)達(dá)的菌根網(wǎng)絡(luò)協(xié)助水稻更高效地吸收磷、氮等關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)水稻的生長發(fā)育。該研究揭示了OsCIE1這一“剎車閘”及其“松閘”的Ser237磷酸化位點在植物免疫和共生中的作用，闡明了植物協(xié)同調(diào)節(jié)免疫、共生和生長發(fā)育的分子機(jī)制，并為未來綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了基因資源。

論文鏈接

由OsCIE1介導(dǎo)的泛素蛋白“制動器”調(diào)控OsCERK1共生產(chǎn)量/免疫平衡的機(jī)制示意圖