少打药少施肥仍能保产量，《自然》发表我科学家潜心八年研究成果

本文转自：人民日报客户端

黄晓慧

水稻生长过程中常常受到稻瘟病等病原真菌的侵扰。化学农药能破除这些侵扰，保护水稻的健康生长和丰产，然而过度使用农药对环境和食品安全构成严重威胁。水稻对磷、氮等营养元素的需求大，但大量施用化肥同样污染环境。如何减少化肥农药用量又能确保水稻健康生长？深入探索水稻免疫和共生营养吸收的机制，提高作物的抗病性和营养吸收，成为农作物育种的重要方向之一。

5月15日，国际顶级学术期刊《自然》以“水稻通过释放泛素制动器来激活由OsCERK1介导的免疫反应”为题，发表中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队、张余团队以及何祖华院士团队的研究成果。这项水稻免疫机制研究上的重大突破，为深入理解植物如何巧妙使用免疫系统这把“双刃剑”协调抗病、共生和生长奠定了理论基础。

据介绍，该研究发现了一种名为OsCIE1的调控蛋白能够束缚OsCERK1激酶活性。在无病原菌侵染的时期，OsCIE1能够像“紧箍圈”一样，将一种名为泛素的小蛋白分子连接到OsCERK1蛋白表面，抑制OsCERK1的激酶活性，防止免疫过度激活。然而，当水稻面临病原真菌入侵时，真菌细胞壁上的长链几丁质迅速诱导OsCERK1的激酶活性。该激酶将磷酸基团分子添加至OsCIE1蛋白表面的关键区域，抑制OsCIE1限制OsCERK1的能力，从而解除“紧箍圈”的束缚。此时，免疫信号通路被OsCERK1成功激活，启动植物免疫反应，抵抗病原菌的侵染。

值得注意的是，促进水稻营养吸收和生长的丛枝菌根菌与对水稻造成毁灭性病害的稻瘟病菌均属于真菌。它们的细胞表面都覆盖着一种名为几丁质的多聚糖类物质。那么植物又是如何区分“有益”还是“有害”微生物的呢？原来“长短有别”。短链几丁质可以作为共生信号，而长链几丁质则会触发植物的抗病免疫反应。在建立互惠互利共生关系时，共生菌根真菌会释放大量短链几丁质作为信号，通知植物为建立共生关系做准备。而病原菌则会极力避免几丁质分子的泄露，尤其是长链几丁质，以免被植物识别并激活免疫反应。水稻细胞表面的关键受体蛋白OsCERK1能够辨别免疫信号或是共生信号，特异介导植物的共生或免疫反应。但这也需要一定监管，若受体OsCERK1触发的免疫反应失控，将引发过度的免疫反应，虽然对病原体抵抗增强，但也阻碍了植物生长和与互惠菌根共生的建立。关于水稻体内如何有效调控这种潜在的过度激活的免疫反应，长久以来一直是科研界尚待揭晓的谜团。

该研究解开了这一谜团。科研人员利用结构生物学方法，精确鉴定了控制OsCIE1“紧箍圈”松紧的关键位点Ser237。当Ser237位点被OsCERK1磷酸化修饰时，如同紧箍咒失效，OsCERK1便可展现其威力，积极抵御外敌。而一旦Ser237位点未被磷酸化，“紧箍圈”再次发挥作用，OsCERK1则恢复平静。

抵御外敌的同时，OsCERK1控制水稻菌根共生的建立，使丛枝菌根真菌进入植物根系，并利用其发达的菌根网络协助水稻更高效地吸收磷、氮等关键营养物质，促进水稻的生长发育。因此，该研究揭示了OsCIE1这一“紧箍圈”及其“紧箍咒”Ser237磷酸化位点，在植物免疫和共生中的作用，不仅阐明了植物协同调节免疫、共生和生长发育的分子机制，同时也为未来绿色农业生产提供了基因资源。

据王二涛介绍，这项长达8年的基础研究，目前已在向产业应用迈进。研究团队的合作者，在江西示范种植1万亩含OsCERK1优良等位基因的水稻品种，在减少25%的化肥使用情况下，仍能保持产量不变。该研究成果在玉米、小麦等农作物种植领域的应用前景同样十分广阔。

王二涛研究团队多年来致力于植物与微生物共生机理和应用的创新研究，并在该领域取得了丰硕的研究成果。他们的研究工作不仅揭示了植物识别区分共生菌与病原菌的分子机制，也为作物通过微生物高效获取营养奠定了坚实的基础。

由OsCIE1介导的泛素蛋白“制动器”调控OsCERK1共生产量/免疫平衡的机制示意图。中国科学院分子植物科学卓越创新中心提供