植物如何實現免疫調控？中國科學家闡釋“平衡之道”

5月15日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心（以下簡稱分子植物卓越中心）研究員王二濤團隊、張余團隊以及何祖華團隊在水稻免疫機制研究上取得了重大突破，并發現了植物蛋白泛素化的新機制。相關研究發表于《自然》。

“這是一個非常有分子植物卓越中心特色的工作。”中國科學院院士何祖華強調，“一方面，我們開展的基礎研究往往同國家需求相結合；另一方面，研究所不同實驗室之間的交流非常緊密，通過多科學合作，共同‘啃下’硬骨頭，解決重要科學問題。”

十年時間探尋植物平衡之道

“除了通過根直接吸收營養，大部分植物還會在‘小伙伴’的幫助下吸收土壤中的養分。”王二濤告訴《中國科學報》。

叢枝菌根菌就是這里提到的“小伙伴”，能夠與植物的根部產生共生體——叢枝菌根。在菌根共生中，植物把光合作用產物以脂肪酸（王二濤團隊的重大發現）等形式傳遞給真菌的同時，通過菌根從土壤獲取磷、氮等營養成分。

值得注意的是，叢枝菌根菌同稻瘟病菌均屬于真菌界，而后者會對水稻造成毀滅性病害。兩類真菌的細胞表面都覆蓋著一種名為幾丁質的多聚糖類物質，共生菌根真菌通過釋放大量短鏈幾丁質，“告訴”植物為建立共生關系做準備；而病原菌“泄露”的長鏈幾丁質，則“警示”植物激活免疫反應抵御危害。

王二濤團隊在前期研究中發現，水稻細胞表面的關鍵受體蛋白OsCERK1能夠接收來自于真菌的信號，特異性介導植物的共生或免疫反應。如果OsCERK1在植物體內表達量過多，將引發過度的免疫反應，阻礙植物與互惠菌根的共生，影響植物的生長發育。

OsCERK1為什么可以同時參與水稻的抗病和根菌的共生過程？是如何建立起兩者之間的平衡關系的？

從2013年加入分子植物卓越中心的第一天開始，王二濤就開始試圖去解答這些問題。

“我的第一批學生做的課題就和OsCERK1相關。”過去十余年間，王二濤和學生們圍繞OsCERK1開展了系列工作，逐漸厘清了抗病和共生之間的關系。此次，他和合作者綜合利用遺傳、分子、生化和結構生物學等方法，闡明了植物協同調節免疫、共生和生長發育的分子機制。

王二濤指出：“我們發現了OsCERK1的一個新伴侶OsCIE1，它是一種E3泛素連接酶。”在沒有病原菌侵染時，OsCIE1能夠抑制OsCERK1的活性，防止免疫過度激活——就像在紅燈時踩下汽車的剎車，防止發生意外。

而當水稻面臨病原真菌入侵時，OsCERK1通過將磷酸基團分子添加至OsCIE1蛋白表面的關鍵區域，把“剎車”松開。此時，植物的免疫信號通路被激活，從而抵抗病原菌的侵染。

為了進一步了解“剎車”是如何制動的，王二濤團隊同張余團隊開展合作，解析了蛋白結構。結果發現，Ser237是控制OsCIE1“剎車”松緊的關鍵位點，當該位點被磷酸化修飾時，OsCERK1被不再被“束縛”，積極抵御病原菌。

由OsCIE1介導的泛素蛋白“制動器”調控OsCERK1共生產量/免疫平衡的機制示意圖。圖片由研究組提供

“挑戰傳統觀點”

“這其實是我的第一個課題。”論文一作之一、王二濤研究組的博士后王鋼是2014年加入團隊的。從博士研究生到即將出站，他坦言“十年間走了不少彎路、犯了很多錯誤。”

課題初期，王鋼發現OsCIE1對OsCERK1能夠起到調控作用，但受限于當時還未建立起成熟的實驗體系，突變體表型不穩定。

“OsCIE1在植物體內是有冗余的，后來我們把兩個基因都突變掉，才表現出很強的免疫自激活表型。”王鋼解釋道。

水稻的雙突變體中，細胞壞死明顯增強，同時過度的免疫反應導致植物無法在室外的農田中生長。自此，王鋼終于放下心，確定OsCIE1是一個免疫負調控因子。

但新的挑戰又來了。

作為一種泛素連接酶，OsCIE1通過對目標蛋白進行泛素化修飾，從而起到調控作用。泛素化是一種常見的蛋白修飾方式，在以往認知中，蛋白一旦被打上“泛素”的標簽，就會迎來被降解的命運。

然而，王鋼花費了兩年時間，嘗試了各種實驗方法，OsCERK1被OsCIE1泛素化后就是不降解。“現在回過頭來看，我們一直在挑戰傳統的觀點，所以必須拿到非常嚴謹的證據，才能把課題繼續推進下去。”

在王二濤的鼓勵下，王鋼及其合作者決定去找尋調控的新路徑，進而發現泛素化后，OsCERK1的激酶活性被抑制。

王二濤表示：“在植物中，這是第一次有確鑿的證據證明多聚泛素化會抑制激酶活性，應該是泛素化領域比較重要的一個工作。”

面向“綠色農業生產”

目前，我國水稻生產主要面臨兩大挑戰：生長過程中過度依賴化學農藥，對環境和食品安全構成嚴重威脅；由于對磷、氮等營養元素的巨大需求，導致過度施肥，嚴重污染環境。

王二濤介紹：“考慮到OsCERK1在控制水稻菌根共生中的作用，我們可以讓植物更高效地吸收營養物質，從而減少化肥的使用，推動綠色農業生產。”

2015年，王二濤團隊第一次在水稻中發現了OsCERK1基因對于菌根共生的重要作用。目前，團隊的合作者江西省農業科學院研究員黃仁良通過雜交的方法，得到了菌根共生效率高的新型水稻“贛菌稻1號”。

“這是世界上第一例菌根共生水稻在農業中的應用，施肥量降低了20-50%的情況下，水稻產量未受到影響。”王二濤補充。目前，團隊正在玉米、小麥等植物中探索OsCERK1的應用價值。

“應用價值可以從基礎的科學問題中‘冒’出來。”中國科學院院士、分子植物卓越中心主任韓斌認為，“這項研究從分子層面闡明了植物抗病和共生之間的平衡，將來可以再針對性地對植物進行改造，不斷向應用拓展。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07418-9