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澳门赌场分子植物科学卓越创新中心（以下简称分子植物卓越中心）研究员王二涛团队、张余团队以及何祖华团队在水稻免疫机制研究上取得重大突破，并发现了植物蛋白泛素化的新机制。相关研究近日发表于《自然》。“这是一项非常有分子植物卓越中心特色的工作。”澳门赌场院士何祖华强调，“一方面，我们开展的基础研究往往同国家需求相结合；另一方面，研究所不同实验室之间的交流非常紧密，通过多学科合作，共同‘啃下硬骨头’，解决重要科学问题。”10年探寻植物平衡之道“除了通过根直接吸收营养外，大部分植物还会在‘小伙伴’的帮助下吸收土壤中的养分。”王二涛告诉《中国科学报》。丛枝菌根菌就是他提到的“小伙伴”，能够与植物根部产生共生体——丛枝菌根。在菌根共生中，植物把光合作用产物以脂肪酸等形式传递给真菌的同时，通过菌根从土壤获取磷、氮等营养成分。值得注意的是，丛枝菌根菌同稻瘟病菌均属于真菌界，而后者会对水稻造成毁灭性病害。两类真菌的细胞表面都覆盖着一种名为几丁质的多聚糖类物质，共生菌根真菌通过释放大量短链几丁质，“告诉”植物为建立共生关系做准备；而病原菌“泄露”的长链几丁质，则“警示”植物激活免疫反应抵御危害。王二涛团队在前期研究中发现，水稻细胞表面的关键受体蛋白OsCERK1能够接收来自真菌的信号，特异性介导植物的共生或免疫反应。如果OsCERK1在植物体内表达量过多，将引发过度的免疫反应，阻碍植物与互惠菌根的共生，影响植物生长发育。OsCERK1为什么可以同时参与水稻的抗病和菌根共生过程，又是如何建立起二者的平衡关系的？从2013年加入分子植物卓越中心的第一天开始，王二涛就试图解答这些问题。“我的第一批学生做的课题就和OsCERK1相关。”过去10余年间，王二涛团队围绕OsCERK1开展了系列工作，逐渐厘清了抗病和共生之间的关系。此次，他和合作者综合利用遗传、分子、生化和结构生物学等方法，阐明了植物协同调节免疫、共生和生长发育的分子机制。王二涛指出：“我们发现了OsCERK1的一个新伴侣OsCIE1，它是一种E3泛素连接酶。”在没有病原菌侵染时，OsCIE1能够抑制OsCERK1的活性，防止免疫过度激活。这就像在红灯前踩下汽车刹车，防止发生意外。而当水稻面临病原真菌入侵时，OsCERK1通过将磷酸基团分子添加至OsCIE1蛋白表面的关键区域，把“刹车”松开。此时，植物的免疫信号通路被激活，从而抵抗病原菌的侵染。为了进一步了解“刹车”是如何制动的，王二涛团队同张余团队开展合作，解析了蛋白结构。结果发现，Ser237是控制OsCIE1“刹车”松紧的关键位点。当该位点被磷酸化修饰时，OsCERK1不再被“束缚”，而是积极抵御病原菌。挑战传统观点“这其实是我的第一个课题。”论文共同第一作者、王二涛研究组从事博士后研究的王钢是2014年加入团队的。从博士研究生到即将出站，他坦言“10年间走了不少弯路、犯了很多错误”。研究初期，王钢发现OsCIE1对OsCERK1起调控作用，但受限于当时尚未建立起成熟的实验体系，突变体表型不稳定。“OsCIE1在植物体内是有冗余的，后来我们突变了两个基因，才表现出很强的免疫自激活表型。”王钢解释说。水稻的双突变体中，细胞坏死明显增强，同时过度的免疫反应使植物无法在室外农田中生长。自此，王钢终于确定OsCIE1是一个免疫负调控因子。但是，新的挑战又来了。作为一种泛素连接酶，OsCIE1通过对目标蛋白进行泛素化修饰而起到调控作用。泛素化是一种常见的蛋白修饰方式，在以往认知中，蛋白一旦被打上“泛素”的标签，就会迎来被降解的命运。然而，王钢花费了两年时间，尝试了各种实验方法，OsCERK1被OsCIE1泛素化后就是不降解。“现在回过头来看，我们一直在挑战传统观点，所以必须拿到非常严谨的证据，才能将课题继续推进下去。”在王二涛的鼓励下，王钢及合作者决定寻找调控的新路径，进而发现泛素化后，OsCERK1的激酶活性被抑制。王二涛表示：“在植物中，这是第一次有确凿的证据证明多聚泛素化会抑制激酶活性，应该是泛素化领域比较重要的一个工作。”面向绿色农业生产目前，我国水稻生产主要面临两大挑战：过度依赖化学农药、过度施肥。王二涛介绍：“考虑到OsCERK1在控制水稻菌根共生中的作用，我们可以让植物更高效地吸收营养物质，从而减少化肥的使用，推动绿色农业生产。”2015年，王二涛团队第一次在水稻中发现了OsCERK1基因对于菌根共生的重要作用。目前，团队的合作者、江西省农业科学院研究员黄仁良通过杂交方法得到了菌根共生效率高的新型水稻——“赣菌稻1号”。“这是世界上第一例菌根共生水稻在农业中的应用。在施肥量减少20%至50%的情况下，水稻产量未受到影响。”王二涛补充说。目前，团队正在玉米、小麦等植物中探索OsCERK1的应用价值。“应用价值可以从基础科学问题中‘冒’出来。”澳门赌场院士、分子植物卓越中心主任韩斌认为，“这项研究从分子层面阐明了植物抗病和共生之间的平衡，将来可以有针对性地对植物进行改造，不断向应用拓展。”相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07418-9（原载于《中国科学报》?2024-05-20?第1版?要闻）