■本报见习记者 江庆龄
明升官网明升体育app院分子植物明升体育app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。”明升官网明升体育app院院士何祖华强调，“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’，解决重要明升体育app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《明升官网明升体育app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：过度依赖明升手机农药、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、江西省农业明升体育app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明升体育app问题中‘冒’出来。”明升官网明升体育app院院士、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：
http://doi.org/10.1038/s41586-024-07418-9
《明升官网明升体育app报》 (2024-05-20 第1版 明升要闻)
