抗病水稻生长受限?科学家破题“水稻困局”

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  中国青年报客户端讯(中青报·中青网记者王烨捷)日前,中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究团队在国际顶尖学术期刊《细胞》(Cell)在线发表论文,揭示了水稻钙离子新感受子ROD1精细调控水稻免疫,平衡水稻抗病性与生殖生长和产量性状的分子机制。据悉,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。

抗病水稻生长受限?科学家破题“水稻困局”

  水稻是我国最重要的粮食作物之一,但近年来,我国水稻病虫害发生情况严重,病虫害种类多,发生范围广,呈现多发、频发、老病新发态势,对我国农业生产和粮食安全构成严重威胁。因此,为了有效控制水稻病害,保障我国粮食高产稳产,作物育种学家和病理学家长期致力于选育广谱持久的水稻抗病品种,但高抗的水稻品种往往生长发育受到限制,导致产量降低,即以牺牲生长发育为代价换取抗病性以实现最终的生存。那如何在水稻抗病的同时不影响其产量性状,维持好植物抗病与生长发育的平衡?此外,面对病原菌的不断进化,如何让植物的免疫屏障有效抵御不同病原菌的反复进攻?

抗病水稻生长受限?科学家破题“水稻困局”

  针对这些问题,何祖华团队追踪了15年。团队研究发现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。

  另一方面,病原菌和植物长期处于“军备竞赛”的协同进化过程中。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。

  以往相关研究聚焦在钙离子信号如何激活植物免疫的问题,但该成果揭示了一条以钙离子受体ROD1为核心的免疫抑制新通路,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。