植物免疫研究与抗病虫绿色防控：进展、机遇与挑战

为了更好地记载科学历史、传承科学精神、引领科学风尚，《中国科学：生命科学》中文版根据自身综合性期刊的定位和特色，在新中国成立70周年之际，组织出版“新中国成立70周年生命科学研究进展专辑”。“专辑”将回顾总结新中国成立70年，特别是改革开放40周年以来，我国在生命科学各领域所取得的重要进展和突出成就，展望未来发展趋势。

近日，“专辑”文章之一，由植物免疫研究领域周俭民研究员、王源超教授等多位知名学者联合撰写的“植物免疫研究与抗病虫绿色防控：进展、机遇与挑战”在线出版。该文从植物免疫受体及信号转导研究、病原基因组研究、病原效应蛋白研究、植物与病毒互作机制研究、免疫与生长平衡、抗病虫基因的分离鉴定和抗病虫育种、植物病虫害防控与生物技术7个方面对我国植物免疫领域工作进展进行了系统性的总结和梳理，并对我国植物免疫领域研究面临的机遇与挑战进行了分析讨论。

植物病虫害造成农作物减产、品质下降, 是世界各国农业生产中的主要威胁. 为控制农业病虫害, 我国每年农药防治面积达5.6112亿公顷次, 为全国耕地面积的4.16倍, 即平均每年每一块耕地上至少实施防治４次以上, 对生态环境和人民健康造成巨大压力. 培育抗病虫品种是农作物抗病虫绿色防控的重要手段, 而植物免疫学是抗病虫育种的理论基础.

1905年, 英国小麦遗传学家Biffen首次在小麦中发现抗病基因; 20世纪30年代美国学者Stakman提出生理小种概念; 20世纪40年代美国学者Flor提出基因对基因假说, 为植物免疫学发展奠定了遗传基础. 西方学者在20世纪早期曾提出的“植物免疫”的概念, 被我国李振岐和吴友三先生采用. 但早期的植物免疫概念仅仅是对植物抗病(免于疫病)现象的描述, 并未与动物的免疫系统进行比较与关联. 随着植物抗病基因的克隆, 人们发现, 植物抗病基因编码的免疫受体与20世纪90年代在果蝇和哺乳动物中发现的先天免疫(也称天然免疫或固有免疫, innate immunity; natural/native immunity)受体类似, 由此认识到植物虽然不具有脊椎动物中的获得性免疫(adaptive immunity), 但具有同动物相似的先天免疫机制.

植物免疫理论的主要框架形成于2006年, 其要点是植物利用位于细胞表面和胞内的两大类免疫受体, 识别病毒、细菌、真菌、卵菌、线虫、昆虫等入侵生物, 激活植物免疫系统从而保护自己; 而病原生物感染寄主植物时, 会向寄主细胞间或细胞内分泌效应蛋白(effectors), 干扰寄主的正常生理活动, 以利于其侵染或定殖. 细胞表面免疫受体也被称为模式识别受体(pattern-recognition receptors, PRRs), 主要由单次跨膜的类受体激酶(receptor-like kinases, RLKs)和类受体蛋白(receptor-like proteins, RLPs)组成, 在细胞表面识别来自入侵生物的分子模式和植物自身来源的、与感染损伤相关的分子模式(molecular patterns, 下文中统称激发子), 其激活的免疫被称作模式触发的免疫(pattern-triggered immunity, PTI). 胞内免疫受体主要为一类包含核苷酸结合结构域和亮氨酸富集重复区的受体类蛋白(nucleotide-binding domain and leucine-rich repeat receptors, NLRs), 识别进入到植物细胞内的入侵生物效应蛋白, 其激活的免疫被称作效应蛋白触发的免疫(effector-triggered immunity, ETI). 近期研究表明, 动植物免疫受体识别入侵生物的分子机制高度类似, 主要通过“直接结合模式”“警戒模式”“诱饵模式”等方式对入侵生物进行识别, 进而特异性地启动下游免疫途径. 除了基于免疫受体的识别系统外, 植物还具有由小RNA介导的基因沉默系统, 进而识别与防御病毒等病原生物的入侵.

自20世纪末以来, 我国科学家在植物抗病虫理论研究及病虫害绿色防控生物技术发展中取得了长足进步. 在过去20年间, 中国学者在植物免疫研究领域发表论文量排名和ESI(Essential Science Indicators)高水平论文量排名均位居世界第二(图1). 从年度趋势看, 我国在植物免疫学领域发表论文量增长迅速, 由1999年的24篇增长到2018年的967篇, 并在2015年以后论文量跃居第一(图2). 以我国学者为通讯作者或共同通讯作者在三大顶级期刊发表的植物免疫领域的研究论文, 前10年仅有1篇, 但到第二个10年已经多达12篇, 呈现爆发式增长的态势.

植物免疫领域主要国家论文量占比. A: 中国发表论文量占比排名世界第二; B: 中国发表ESI高水平论文量占比排名世界第二

1999~2018年植物免疫领域国际、美国、中国论文量

我国学者在植物免疫研究的多个方向做出了突出贡献, 多人应邀在国际主流期刊撰写相关方向综述文章, 包括植物免疫受体作用机制、免疫信号转导、病原效应蛋白和致病机制研究、植物病毒致病机制、免疫与生长平衡机制、抗病虫基因的分离鉴定、RNAi(RNA interference)介导的植物抗病毒免疫以及利用小RNA干扰和基因编辑技术创制抗病虫新种质、病原基因组学和流行规律研究等. 我国学者已经成为在国际上推动植物免疫学发展的重要生力军.

1 植物免疫受体及信号转导研究

免疫的实质是高等生物通过识别“非我”或“异己”(non-self), 发起对入侵生物的攻击指令, 从而保护自我. 因此, 免疫受体及其信号转导途径的研究是植物免疫学的核心所在. 我国在不同类型免疫受体的发现以及作用机制解析方面取得了令人瞩目的成就.

1.1 NLR类型受体的作用机制研究取得一系列重要进展

抗病基因编码的蛋白中, NLR蛋白约占70%. 每个植物物种中NLR基因的数目常常高达数百个, 并且种间和种内均呈现高度多样性, 组成一个庞大的NLR组(NLRome), 但也有一些植物如木瓜和黄瓜的NLR基因只有几十个, 说明不同植物的NLR基因组组成存在独立进化. 因此, 植物NLR基因组分析对理解抗病基因进化、NLR蛋白的类型以及发现新的NLR基因及功能具有重要意义. 南京大学研究组系统研究了植物NLR基因的起源, 构建了陆地植物NLR基因谱系图, 为后人发现不同NLR蛋白间的互作规律提供了重要的路径.

我国多个研究组发现, 植物NLR受体有时以成对的方式在染色体上排列并执行功能. 比如, 中国科学院植物生理生态研究所的团队发现, 稻瘟病广谱抗性遗传位点Pigm编码两个功能拮抗的NLR蛋白PigmR和PigmS, 共同控制对稻瘟病的抗性和产量性状的平衡. 其中, PigmR通过形成同源二聚体发挥抗性作用; 而PigmS与PigmR竞争形成异源二聚体, 抑制PigmR介导的抗病性. 这一发现突破了前人对成对NLR蛋白作用模式的认知: 即两个互作的NLR蛋白之间的关系并不一定是互补, 也可以是拮抗.

NLR受体对病原效应蛋白的识别机制和活性控制机制一直是植物免疫研究的重要课题. 北京生命科学研究所团队发现了NLR蛋白SUMM2通过监控MEKK1-MKK1/MKK2-MPK4级联通路, 识别细菌效应蛋白HopAI1的机制. 中国科学院遗传与发育生物学研究所与清华大学的合作团队发现, NLR免疫受体RPM1的活性受到其互作蛋白RIN4中的一个脯氨酸残基的顺反构象调控, 而该残基构象受到肽基脯氨酰异构酶ROC1的调控, 从而揭示了一种新的NLR活性控制模型. 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究组与法国学者合作发现, 拟南芥NLR蛋白ZAR1特异识别野油菜黄单胞菌效应蛋白AvrAC. ZAR1对AvrAC的识别, 还需要另外两个蛋白RKS1和PBL2一起完成. 其中, RKS1与ZAR1形成静息状态的受体复合物, 而PBL2作为一个诱饵蛋白, 受到AvrAC修饰后被招募到ZAR1-RKS1复合物并激活ZAR1介导的抗病性. 南京农业大学团队与美国学者合作发现, 番茄斑萎病毒移动蛋白NSm中的保守肽段NSm21被番茄NLR免疫受体蛋白Sw-5b识别激活广谱抗性; 并阐明了Sw-5b一个特殊的N端结构域在NLR蛋白活性控制中的新机制. 中国科学院遗传与发育生物学研究所的团队首次发现, 只具备TIR-NBS结构域的TN2蛋白能通过钙依赖激酶CPK5发挥抗病功能, 并提供了胞吐系统受到NLR监控的证据. 清华大学的研究组发现, 烟草蛋白NbMIP1是NLR蛋白Tm-22监控病毒蛋白MP所必需的组分. 中国农业大学的团队与法国学者合作发现, 水稻中一个NLR的嵌入式诱饵结构域HMA(heavy metal-associated)能识别两个不同的稻瘟菌效应蛋白.

我国学者还发现了多个NLR蛋白通过转录因子直接调控免疫的新证据. 北京生命科学研究所的团队发现, NLR蛋白SNC1通过与转录抑制因子TPR1互作, 控制免疫相关基因的表达和抗病性. 武汉大学的团队发现, NLR蛋白Bph14通过与转录因子WRKY46/72互作, 激活对昆虫的免疫反应.

我国学者在NLR编码基因的表观调控、RNA剪切、蛋白稳定性调控以及亚细胞定位等多个方面也取得了进展. 香港浸会大学的研究组发现, NUDT6是NLR蛋白SNC1新的负调控因子. 中国科学院植物生理和生态研究所团队通过对PigmS启动子研究发现,PigmS基因的表达受到甲基化调控, 在花粉中特异高表达, 而在叶片、茎秆等病原菌侵染的组织部位表达量很低. 由于PigmS低水平表达, 可能降低了稻瘟病菌的选择压力, 致使PigmR对稻瘟病菌一直具有广谱抗性. 因此, 该项工作揭示了通过表观遗传控制PigmS表达, 实现对PigmR的低水平拮抗, 从而平衡抗病和产量的机制, 这也为培育高抗高产协调的作物品种提供了一个新的思路. 该团队最近发现, PigmR与其他结构类似的广谱抗病NLR可直接与具有RRM(RNA recognition motif)结构域的PIBP1等蛋白互作, 对PigmR介导的抗性发挥作用, 并由此发现了一个全新的RRM植物转录因子家族, 可直接控制防卫相关基因的表达, 拓展了植物转录因子家族.

1.2 NLR蛋白结构研究取得重大突破

自从20世纪90年代首次被鉴定到以来, 植物NLR蛋白作用机制研究进展缓慢. 其中的一个重要原因是缺乏完整NLR蛋白的结构. 清华大学的团队早期解析了细菌效应蛋白AvrPto与番茄诱饵蛋白Pto复合物以及大麦NLR蛋白MLA的CC(coiled-coil)结构域的结构, 发现了诱饵蛋白激活NLR的潜在机制和CC结构域的信号功能. 最近, 来自中国科学院遗传与发育生物学研究所与清华大学的联合团队, 首次发现了植物抗病小体(resistosome)的存在并揭示了NLR蛋白激活免疫的全新机制. 该团队通过对拟南芥NLR受体ZAR1蛋白多个复合物的结构和功能解析, 阐明了ZAR1在识别病原效应蛋白后, 如何从静息状态, 经过中间状态, 最终形成活性的五聚体抗病小体的分子过程; 揭示了抗病小体在细胞质膜上激活免疫信号和细胞死亡的分子机制. 受此成果影响, NLR蛋白研究成为2019年的国际植物微生物分子互作大会的主题. 该研究成果是国际植物免疫学研究领域25年来重要的里程碑式进展, 也是我国科学家在植物免疫研究领域取得的重大突破性成果, 对未来高效和合理利用植物NLR蛋白, 进而改良植物抗病性具有重要指导意义.

1.3 模式识别受体作用机制取得重大突破

模式识别受体通过识别来自入侵生物或者植物自身的激发子引发植物免疫反应, 其作用机制是植物免疫研究的另一个前沿方向. 我国学者发现了来自病原细菌、真菌和卵菌的多个激发子. 南京农业大学的研究组发现, 大豆疫霉菌的胞外效应蛋白XEG1具有激发子活性; 进一步的功能基因筛选发现, 烟草类受体蛋白RXEG1是其受体, 由于XEG1同源蛋白在致病卵菌和真菌中广泛存在, RXEG1的发现有望改良作物对这些病菌的广谱抗性. 中山大学的研究组发现了水稻中两个含lysin motif(LysM)结构域的PRR蛋白OsLYP4和OsLYP6作为免疫受体识别细菌肽聚糖和真菌几丁质, 激活植物免疫反应, 是在植物中首个发现的细菌与真菌双重分子模式识别受体. 我国学者还多次发现类受体激酶在针对细菌、真菌和昆虫病原的抗性中发挥重要作用.

北京生命科学研究所的团队发现, 拟南芥中的类受体蛋白SNC2负调控植物免疫, 而这一过程很可能独立于NLR蛋白, 还发现两个类受体激酶BIR1和SOBIR1共同调控植物细胞死亡与免疫反应. BIR1通过与共受体蛋白BAK1互作发挥作用; 而SOBIR1后来被发现是一个十分重要的新型共受体, 在RLP类型的模式识别受体途径中发挥作用. 清华大学团队与国外华人学者合作完成了BIR1-BAK1复合物的结构解析, 发现了BIR1-BAK1互作的独特模式, 为理解BAK1这一重要共受体的作用模式提供了重要信息. 西北农林科技大学团队与国外研究组合作发现了免疫受体复合体的负调控因子BIR3. 台湾大学的研究组发现了两个类受体激酶直接与PRR受体FLS2互作, 并正向调控PTI, 暗示模式识别受体复合物比预想的复杂.

我国学者在模式识别受体的结构与功能解析方面取得了重大突破. 清华大学与中国科学院遗传与发育生物学研究所的联合团队完成了重要模式识别受体FLS2和共受体CERK1与配体复合物的结构解析, 发现CERK1通过胞外LysM结构域二聚化来完成对真菌细胞壁组分长链几丁质多糖的感应, 使其胞内激酶结构域磷酸化并激活下游防卫反应信号通路. 该项工作不仅对植物免疫识别机制的理解具有重要意义, 还为解析微生物-植物共生系统中受体的工作机制提供了重要参考. 中国科学院上海植物生理与生态研究所的团队发现, 豆科植物的CERK1在免疫和共生中均发挥重要作用. 清华大学与中国科学院合作团队还发现, 细菌鞭毛蛋白以“分子胶”的形式直接结合模式识别受体FLS2和共受体BAK1的胞外结构域, 进而诱导FLS2与BAK1胞外域间的互作, 形成具有活性的FLS2-鞭毛蛋白-BAK复合体, 激活植物免疫系统. 该研究证实多年来关于BAK1是鞭毛蛋白的共受体这一猜测, 解决了一个悬而未决的重要科学问题. 由于鞭毛蛋白在病原细菌中广泛存在, 该研究的发现将有助于设计广谱抗病的农作物. 此外, 清华大学团队还解析了模式识别受体PEPR与植物损伤相关分子模式-小肽Pep1的复合物结构, 这一研究为揭示植物受体激酶感受内源小肽激素的机制提供了重要线索. 清华大学团队与瑞士学者合作, 解析了由受体激酶FER、共受体LLG1以及RALF小肽激素形成的复合物结构, 揭示了该受体的作用机制. 由于FER和LLG1均在植物生长发育和免疫中发挥多重作用, 这一重要发现对植物生物学具有重要意义.

有的受体激酶本身虽然识别小肽激素而非免疫分子模式, 但可以通过与免疫受体互作等方式在免疫中发挥重要作用. 浙江大学团队发现, 植物磺化肽激素在番茄中发挥对灰霉菌的抗病作用, 而植物生长素和钙信号在这一新的免疫途径中起到了重要作用. 福建农林科技大学的团队发现, GPI-铆定蛋白LLG1在模式识别受体介导的免疫中发挥重要作用, 暗示了小肽激素受体与免疫受体的互作.

PRR受体的活性受到转录、磷酸化、泛素化、内吞等多重调控. 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究组发现了一个由microRNA和转录抑制因子组成的通路, 特异控制模式识别受体FLS2编码基因在发育过程中的转录. 中山大学的团队发现, 几丁质共受体CERK1特异酪氨酸磷酸化位点在其活性调控中发挥关键作用; 这一活性调控需要与之互作的磷酸酶CIPP1参与, 形成了一个精细调控环路.

1.4 在免疫信号转导机制取得广泛进展

我国学者在模式识别受体的下游调控组分的研究中取得了一系列重要突破. 北京生命科学研究所和中国科学院遗传与发育生物学研究所团队发现, 定位于胞质的类受体激酶BIK1和多个同源蛋白PBLs直接与多个模式识别受体互作, 介导免疫反应. 这些激酶是模式识别受体途径中的核心组分, 直接磷酸化下游的多个重要信号组分, 包括定位于质膜的NADPH氧化酶RbohD、MAPK级联通路的激酶MAPKKK3/5、异源三聚体G蛋白调控蛋白RGS1等, 从而激活免疫活性氧生成、MAPK级联通路以及异源三聚体G蛋白, 正调控植物免疫, 对病原细菌和真菌的抗性发挥重要作用; 此外, BIK1对激发子激活的钙信号也发挥关键作用; BIK1蛋白本身也受到由异源三聚体G蛋白、泛素E3连接酶PUB25/26、依赖于激酶CPK28组成的蛋白稳态调控模块的精细调控. 中国科学院植物生理与生态研究所团队发现水稻中几丁质受体途径以类似的方式调控MAPK级联通路. 中国科学院遗传与发育生物学研究所团队发现另一个胞质的类受体激酶BSK1在模式识别受体FLS2下游发挥重要作用, 并能够直接磷酸化MAPKKK5正调控MAPK级联通路. 南京大学研究组与美国华人学者合作研究发现, PEPR通过阴离子通道SLAC1和SLAH3调控气孔关闭, 发挥对细菌入侵的抗性.

植物免疫应答是一个异常复杂的生物学过程, 包括活性氧生成、MAPK级联途径、转录调控、蛋白质泛素化与稳定性调控、细胞死亡、次生代谢物产生等多个方面. 我国学者在植物免疫信号转导研究中取得了一系列重要进展.

活性氧生成是植物免疫应答中的早期事件, 在植物免疫调控中发挥重要作用. 四川农业大学研究组结合遗传学和全基因组关联分析, 发现了水稻广谱抗稻瘟病基因bsr-d1, 揭示了转录因子MYBS1结合bsr-d1启动子操控活性氧水平和抗病性的分子机理. 中国农业科学院植物保护研究所研究组发现, 泛素连接酶SPL11与小G蛋白激活因子SPIN64以及SD-1类型受体激酶SDS25相互作用, 通过调控活性氧产生负调控水稻的细胞死亡和抗病性, 而Dynamin相关蛋白OsDRP1E6通过调控水稻细胞色素c从线粒体的释放负调控水稻的程序性细胞死亡. 南京农业大学团队发现, 光诱导水稻捕光复合物蛋白LHCB5磷酸化, 通过调控叶绿体活性氧积累增强水稻的稻瘟病抗性.

MAPK级联通路是真核生物中保守的信号传递激酶, 控制气孔运动、下游基因转录、次生代谢物合成、细胞死亡等免疫反应. 我国学者发现MAPK等激酶参与植物免疫调控的多种功能和作用机理. 北京生命科学研究所团队发现了拟南芥中由MEKK1, MKK1/MKK2和MPK4组成的植物免疫负调控的完整MAPK级联复合物. 浙江大学团队发现, 拟南芥MPK3/MPK6以及其上游激酶MKK4/MKK5调控气孔和质外体免疫. 中国农业大学的研究组与美国华人学者合作发现, 拟南芥MPK3和MPK6是介导camalexin合成的关键信号途径. 中国农业科学院植物保护研究所团队发现, 植物受到双生病毒侵染后通过激活MAPK途径来对抗病毒的侵染, 但双生病毒卫星分子编码的βC1蛋白能够巧妙地通过靶标MKK2和MPK4来抑制MAPK介导的防御, 从而有助于病毒侵染植物.

泛素连接酶通过泛素化修饰调控靶蛋白的降解、转运和功能变化, 是控制免疫信号转导的重要调控因子. 中国科学院植物生理与生态研究所团队发现, 水稻E3泛素连接酶EBR1通过泛素化修饰OsBAG4调控水稻细胞死亡以及对细菌和真菌的抗病性; 他们还与浙江大学团队合作发现, 另一个E3泛素连接酶OSBBI通过增强细胞壁防卫与ROS(reactive oxygen species)的生物合成调控对稻瘟病的广谱抗性. 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究组发现, E2连接酶UBC32调控大麦MLO-12蛋白的稳定性和白粉病抗性. 我国学者还发现了水稻、拟南芥和葡萄的多个E3泛素连接酶在植物免疫调控中的功能和作用机理.

大量防卫相关基因的诱导表达, 是植物免疫反应的重要特征. 我国学者发现了WRKY, NAC, ERF, MYC, MYB, bHLH等多种转录因子参与植物免疫调控的功能和作用机理. 中国科学院遗传与发育生物学研究所团队发现, 番茄同源的NAC转录因子JA2和JA2L分别通过脱落酸和茉莉酸途径差异化调控气孔开闭和植物免疫反应. 中国科学院西双版纳热带植物园团队发现, 拟南芥转录因子WRKY8通过调控ABI4, ACS6和ERF104的表达调控植物对病毒的免疫响应. 华南农业大学团队发现, 水稻SWI/SNF2 ATP酶基因BRHIS1通过结合特异的泛素化组蛋白靶向防卫相关基因启动子区域, 抑制防卫相关基因表达. 北京生命科学研究所研究组发现, TPR1可能通过结合组蛋白去甲基化酶HDA19抑制负调控因子DND1和DND2激活植物免疫反应; 发现WRKY70转录因子和importin-β超家族成员MOS14介导的NLR蛋白免疫信号传递新机制.

我国学者还在免疫相关程序性细胞死亡、细胞自噬以及转录组和蛋白组分析等方面取得了进展. 清华大学研究组发现, 同源蛋白ERD2a和ERD2b作为内质网腔蛋白受体调控蛋白质加工和植物细胞死亡. 中国科学院遗传与发育生物学研究所研究组分离了多个介导白粉病免疫调控的新组分, 揭示了细胞自噬、蛋白酶体途径、MAPK激酶途径调控白粉病免疫的分子机制, 为白粉病抗病性改良提供了新靶标. 此外, 对侵染转录组和蛋白质组的研究还发现了植物响应真菌和昆虫免疫反应的转录组和蛋白质组差异, 鉴定了一批重要的植物免疫相关基因, 建立了植物防卫相关基因表达数据库PlaD.

1.5 揭示了多种防卫相关激素参与免疫调控的分子机理

植物激素在植物免疫应答中发挥极其重要的作用. 茉莉素是关键的防卫激素之一, 对植物抵御咬食性昆虫和死体营养型病原菌尤其重要. 我国学者在茉莉酸生物合成和信号传递调控机制方向在国际上发挥了主导作用. 比如, 清华大学团队发现, 昆虫取食通过激活依赖于钙信号的JAV1(Jasmonate associated VQ domain protein 1)磷酸化, 调控JAV1核质穿梭和降解, 激活茉莉酸的生物合成和积累, 从而诱导植物免疫. 中国科学院遗传与发育生物学研究所团队发现了细胞色素P450蛋白CYP82C2、MYC2转录因子及其磷酸化调控茉莉酸响应基因和植物抗虫、抗病反应的新机制. 中国科学院上海植物生理生态研究所研究组发现, 依赖于苗龄的茉莉酸累积水平调控植物抗虫性. 华南农业大学团队发现了硅增强茉莉酸响应和茉莉酸促进硅积累的双向调控机制.

水杨酸是另一个重要防卫激素, 对植物抵抗活体、半活体营养型病原微生物起关键作用. 我国学者在水杨酸合成和应答研究中取得了多项进展, 北京生命科学研究所团队发现, 转录因子CBP60g与SARD1通过结合ICS1基因的启动子调控ICS1表达, 是调控水杨酸合成的核心转录因子. 武汉大学团队发现了水杨酸通过抑制过氧化氢酶CAT2活性降低生长素合成和破坏CAT2与JA合成酶酰基辅酶A互作降低JA合成的调控机制. 中国农业科学院作物科学研究所研究组发现, 水稻磺基转运酶OsSOT1催化水杨酸磺化生成磺化水杨酸, 促进水杨酸生物合成. 此外, 多个团队还发现乙烯、油菜素内酯、生长素及其他激素信号途径参与植物免疫调控的新机制. 比如, 北京生命科学研究所研究组发现, 乙烯信号途径转录因子EIN3和EIL1与水杨酸合成酶SID2相互作用, 对水杨酸途径形成拮抗.

2 病原基因组研究

病原菌基因组的测序与分析是农作物抗性改良设计的重要环节. 中国科学院微生物研究所团队早在2005年就率先完成了野油菜黄单胞菌基因组全序列测序, 并利用比较基因组学和功能基因组学等先进手段, 系统地研究了其致病过程的基因, 从16512个突变体中, 实验证实13类共75个基因参与致病过程, 为深入揭示植物细菌的分子致病机理, 为我国水稻以及其他农作物的细菌性病害的农业防治研究奠定了组学基础. 此后, 我国科学家又先后主导完成了小麦条锈菌、稻曲病菌、菟丝子等重大农作物寄生生物的全基因测序. 其中西北农林科技大学团队主导测序获得了小麦条锈菌高质量基因组框架图, 证实条锈菌基因组存在高度杂合特征; 通过基因组和比较基因组学方法揭示了遗传重组是条锈菌新菌系产生的重要途径, 提示长期以来认为点突变是锈菌致病性变异主要来源的观念需要重新审视. 中国农业大学的团队成功绘制出了稻曲病菌基因组序列草图, 鉴定了一批潜在的致病因子, 并从基因组学角度提供了关于稻曲病菌进化、活体营养分子机制以及致病机制的新见解; 揭示出有关稻曲病菌进化、活体营养和致病分子机制的一些新认识, 进而为设计改良稻曲病抗性奠定了基础. 中国科学院科研团队破译了寄生植物南方菟丝子的全基因组序列, 揭示其在进化中经历了大规模基因丢失事件, 这些丢失的基因与寄生植物特殊的植物形态和生活方式有关, 该研究为深入探索寄生植物的演化和生理生态、设计田间防控寄生植物的策略提供了重要依据. 中国农业科学院科研团队破译了植物内生真菌的基因组并系统性鉴定了其分泌蛋白, 为进一步加深对农业和生态共生真菌的理解, 为解析农作物的促生与抗性的平衡机制提供了新见解.

鉴于一些重大农作物病原物自然变异快速, 开展自然群体菌株的重测序对理解病菌的变异规律和设计植物持久抗性具有重大意义. 我国科学家的代表性工作包括: 南京农业大学团队以我国水稻产区主要流行的稻瘟菌株为研究材料, 综合采用组学和分子遗传学方法, 证实菌株特异性基因的自然存在是稻瘟病菌群体变异的重要原因之一, 是克服品种抗性和抵御不良环境的重要遗传方式; 中国农业大学团队通过对稻瘟病菌野生菌株与实验室菌株基因组比较发现, 野生菌株出现基因扩张, 其中部分基因影响毒性和无性阶段发育, 揭示了遗传因子在稻瘟菌基因组变异中的贡献, 这些研究对认识稻瘟病菌的变异机制及利用抗病品种控制稻瘟病具有积极的指导价值; 通过蛋白组学分析揭示了SUMO修饰在稻瘟菌附着胞侵染中的重要功能. 近年来, 我国科学家还在重大植物病原菌表观基因组研究中取得突破. 南京农业大学团队系统性地开展了马铃薯晚疫病菌和大豆疫病菌全基因组甲基化研究, 绘制了第一幅卵菌的表观修饰图谱, 鉴定了驱动其修饰的酶, 这些研究将为进一步解析疫霉菌田间致病、变异机制提供理论基础. 西北农林科技大学科研团队以小麦赤霉病菌为研究对象发现, A-to-I的RNA编辑是丝状子囊真菌中的一种保守表观遗传调控机制, 测序鉴定出了400多个进化保守的编辑位点, 初步揭示了其背后的生物学功能, 有望为提升植物抗性、设计新型赤霉病控制策略提供理论依据.

3 病原效应蛋白研究取得多项突破

病原效应蛋白研究是植物免疫学研究近十几年的热点领域之一. 病原生物的效应蛋白是重要的致病因子, 能通过多种方式干扰植物的免疫反应, 促进病原侵染、扩展以及定殖; 病原效应蛋白也是植物PRR受体和NLR受体识别的对象. 我国科学家在该领域的研究目前处于国际前沿.

3.1 我国引领病原细菌效应蛋白致病机理研究

植物病原细菌分泌效应蛋白进入植物细胞内, 通过多种多样的生化活性操控植物的免疫和生理反应. 中国科学院遗传与发育生物学研究所和北京生命科学研究所研究组揭示了病原细菌多个效应蛋白的致病功能、宿主靶标和生化机理, 在国际上率先提出了植物免疫识别的“诱饵模型”, 引领了细菌效应蛋白致病机理的研究, 为研究其他病原的效应蛋白提供了范本. 研究发现, 假单胞菌三型分泌系统的一个主要功能是抑制宿主植物的PTI免疫反应, 其分泌的多个效应蛋白都具有对PTI的抑制功能. 揭示了效应蛋白AvrPto通过激酶抑制子活性抑制模式识别受体FLS2的激酶活性, 从而干扰植物免疫反应的机理; 发现了效应蛋白AvrPphB通过半胱氨酸蛋白酶活性切割植物模式识别受体途径核心组分BIK1, 阻断免疫信号的分子机制; 同海南大学研究组合作发现, 野油菜黄单胞菌效应蛋白AvrAC是一个全新的酶-尿苷磷酸转移酶, 能特异地修饰BIK1及其同源蛋白, 抑制BIK1的激活, 从而阻断免疫信号途径; HopB1通过丝氨酸蛋白酶活性切割植物免疫共受体BAK1; HopAI1通过磷酸化苏氨酸裂解酶活性去磷酸化MAPK激酶, HopF2通过核糖基转移酶活性修饰MAPKK激酶, AvrB通过与RAR1互作, 激活MAPK激酶MPK4调控茉莉酸信号途径等多种效应蛋白致病机制. 其中, AvrPto、AvrPphB、和AvrAC毒性机制的发现, 为植物免疫的诱饵模型提供了证据. 此外, 江苏农业科学院的研究组与美国华人学者合作研究发现, AvrPtoB还能利用其E3泛素连接酶的活性靶向水杨酸信号途径的关键蛋白NPR1, 干扰植物的免疫. 中国科学院微生物研究所团队在白叶枯细菌效应蛋白中发现了一个新的E3泛素连接酶, 在毒性功能中发挥关键作用.

清华大学团队利用结构生物学手段, 发现了假单胞菌效应蛋白AvrPto和AvrPtoB均具有激酶抑制子的活性, 为它们的作用方式提供了生化与结构证据. 黄单胞菌等植物病原细菌编码一类独特的TALE效应蛋白, 该类蛋白进入植物细胞后, 能直接结合特异的启动子序列进而激活植物感病基因的表达. 清华大学团队利用结构生物学手段, 完美解析了TALE结合特异DNA碱基的机制. 上海交通大学团队通过与美国华人学者合作发现, 白叶枯细菌分泌一种缺失转录激活结构域的非典型TALE蛋白, 能识别水稻抗病基因Xa1的启动子并干扰Xa1的表达, 使得水稻丧失抗性.

3.2 病原卵菌效应蛋白致病机理研究取得重大突破

同病原细菌一样, 真核病原微生物也能向宿主植物细胞内或细胞间分泌效应蛋白. 南京农业大学团队在大豆疫霉菌效应蛋白致病机理研究方向取得了系列研究成果. 通过对疫霉菌转录组分析、效应蛋白单倍型分析和功能鉴定, 揭示了效应蛋白协同作用致病的新机制, 并在随后的研究中阐明了多个效应蛋白的重要作用和分子机制. 研究发现, 大豆疫霉菌胞间效应蛋白XEG1通过其糖苷水解酶活性促进致病性, 同时可以作为类PAMP的效应蛋白被植物识别; 植物GIP1蛋白结合XEG1, 抑制其水解酶活性并激活免疫反应, 而大豆疫霉菌则进一步演化出与XEG1结构类似但不具有酶活的XLP1蛋白, 以此扰乱植物的识别, 掩护XEG1对植物的攻击, 揭示了病原菌攻击寄主的“诱饵模式”新策略; 发现胞内效应蛋白Avr3b通过Nudix水解酶活性降解ADPR, NADH等信号分子, 进而抑制植物免疫, 其活性依赖于植物亲环素, 揭示了病原蛋白利用宿主因子加工进而发挥毒性功能的新机制; 发现Avh262通过稳定植物内质网蛋白BiP, 缓解内质网压力引起的细胞坏死, 从而促进大豆疫霉侵染; 发现效应蛋白Avh23和Avh52通过调控寄主染色质组蛋白的乙酰化修饰, 进而精确地抑制抗病基因表达, 促进感病基因的表达, 从而在表观修饰水平有效地干扰植物免疫反应的机制; 与中国科学院上海植物逆境中心研究组合作, 解析了大豆疫霉效应蛋白Avh240的晶体结构, 并鉴定到了一个植物胞外免疫的新成员GmAP1, 揭示了大豆疫霉菌抑制GmAP1外泌的这一干扰植物胞外免疫的新机制; 发现了疫霉菌产生3-磷酸磷脂酰肌醇可以帮助其侵染, 促进RXLR效应蛋白进入宿主细胞, 揭示了3-磷酸磷脂酰肌醇在植物与疫霉互作过程的重要作用; 发现疫霉菌分泌一类具有结合寄主DNA活性的效应因子, 通过与植物基因启动子结合干扰寄主防卫相关基因的表达, 从而破坏植物抗性; 与江苏省农业科学院农业生物技术研究所合作发现, 大豆疫霉菌与大丽轮枝菌共有的一类非典型的效应蛋白通过水解水杨酸的前体分支酸, 阻碍水杨酸积累从而促进病菌致病力; 发现大豆疫霉菌效应蛋白PsAvr3c与大豆GmSKRP蛋白互作重编程寄主的pre-mRNA可变剪切过程, 从而促进大豆疫霉侵染; 揭示了病原菌在RNA剪切水平上调控寄主免疫反应的一种新机制. 此外, 西北农林科技大学研究组发现了辣椒疫霉效应蛋白PcAvr3a12通过靶向ER定位的脯氨酰异构酶, 干扰宿主免疫的机制; 南京农业大学团队通过一个辣椒疫霉致病关键效应蛋白RxLR207的靶标筛选, 鉴定到在抗病中起重要作用的新型免疫调控因子BPA1/BLPs.

3.3 发现了病原真菌免疫逃逸新策略

我国学者在稻瘟病菌和大丽轮枝菌等病原真菌效应蛋白研究中取得了一系列重要进展. 中国农业科学院植物保护研究所团队发现了稻瘟菌效应蛋白AvrPiz-t通过靶向水稻的泛素蛋白酶体途径、钾离子通道以及转录因子等多种策略抑制水稻的基础防卫反应. 中国农业大学的团队发现了稻瘟真菌中的一种糖基转移酶ALG3, 通过糖基化修饰关键效应蛋白Slp1, 帮助真菌逃避水稻免疫系统的识别; 鉴定了稻瘟真菌中与毒性相关的特异几丁质酶并解析了其蛋白结构. 中国科学院微生物研究所团队发现, 稻瘟菌分泌蛋白MoChia1可以结合真菌细胞壁几丁质组分并抑制其激活的水稻免疫响应, 而水稻质膜蛋白OsTPR1通过破坏与MoChia1的结合干扰病菌对植物免疫的抑制; 发现大丽轮枝菌效应蛋白VdPDA1通过去乙酰化酶活性, 改变其几丁质结构, 从而逃避宿主植物对真菌的识别这一全新机制; 揭示了大丽轮枝菌分泌蛋白VdSCP41直接操控植物钙调素结合蛋白家族重要免疫转录因子的致病机理; 发现大丽轮枝菌胞间效应蛋白VdSSEP1是一个丝氨酸蛋白酶, 该蛋白可抑制几丁质酶Chi28对病原菌细胞壁的降解从而降低植物对病菌的免疫识别, 而富半胱氨酸的效应蛋白CRR1通过结合Chi28阻碍其对病原菌细胞壁的降解, 从而增强棉花的免疫防御. 中国科学院上海植物生理生态研究所研究组发现禾谷镰孢菌的新型致病因子镰孢菌素A, 它是首个线性非核糖体肽类植物致病因子; 进一步研究表明, 镰孢菌素A可能通过调控胞间连丝开闭和抑制叶绿体光合相关活性, 促进镰孢菌菌丝在小麦细胞间扩展和赤霉病的发生.

3.4 昆虫和线虫效应蛋白研究取得进展

昆虫和线虫等动物病原也具备向宿主植物细胞分泌蛋白的能力, 但其分离鉴定较为困难. 我国学者在棉铃虫、病原线虫以及稻飞虱效应蛋白的研究中取得了进展. 中国科学院上海植物生理生态研究所研究组发现, 棉铃虫分泌的效应蛋白HARP1(helicoverpa armigera R-like protein 1)通过与COI1蛋白竞争性结合JAZ蛋白, 调控JAZ蛋白稳定性和茉莉酸信号途径. 华南农业大学研究组与国外科学家合作发现, 线虫分泌的效应蛋白MjTTL5靶向铁氧还原蛋白催化亚基AtFTRc, 调控植物ROS清除能力和基础免疫. 浙江大学团队发现了烟粉虱分泌Bt56进入植物, 并通过激活植物水杨酸信号途径促进昆虫存活和繁殖的机制, 还发现褐飞虱唾液中的β-1,4糖苷酶可以作为效应蛋白抑制水稻免疫反应的形成. 武汉大学团队分析了褐飞虱取食水稻时的分泌物, 鉴定到一批飞虱唾液蛋白为潜在的重要效应蛋白, 针对其中的黏蛋白NIMLP开展进一步研究发现, 该蛋白可诱导水稻细胞死亡、防御相关基因的表达以及胼胝质沉积, 揭示了褐飞虱唾液蛋白影响褐飞虱的取食行为并诱发水稻免疫反应的机制. 南京农业大学团队发现, 灰飞虱唾液中的DNase Ⅱ抑制植物胼胝质形成和过氧化氢积累. 这些研究揭示了植物与昆虫互作的分子机制, 为农作物抗虫育种提供了重要理论依据与新颖的思路.

4 植物与病毒互作机制研究

RNA沉默或RNA干扰(RNA interfering, RNAi)机制是植物抵抗病毒入侵的主要途径. 病毒复制过程中形成的双链中间体、双向转录形成的双链结构以及病毒转录本折叠形成的局部双链, 都能够被植物RNAi系统识别并降解, 实现在转录水平或转录后水平对病毒基因表达的抑制, 进而抑制病毒侵染. 在植物与病毒长期协同进化中, 病毒为了抵抗植物抗病毒RNAi途径, 独立进化出功能多样的RNAi沉默抑制子(viral suppressors of RNA silencing, VSR), 作用在植物RNAi途径的各个阶段进而抑制植物抗病毒RNAi. 我国科学家在植物-病毒互作领域的研究工作处于领先地位.

4.1 我国引领植物抗病毒小RNA途径与VSR研究

除了直接识别并剪切病毒双链RNA, 植物RNAi机制也通过其他途径调控植物-病毒互作. 北京大学团队针对病毒感染后的宿主小RNA积累、功能和作用机制进行了系统研究. 通过与清华大学和福建农林大学团队合作发现, 水稻AGO18通过竞争性结合miR168保护AGO1蛋白, AGO1蛋白在抗病毒RNAi过程中发挥重要作用, 进而增强水稻抗病毒防御反应; 通过与中国科学院遗传与发育生物学研究所团队合作发现, 单子叶植物特有的miR528能够被AGO18竞争性地结合, 调控植物体内活性氧积累, 启动下游抗病毒通路; 通过与福建农林科技大学的团队合作研究发现, 水稻条纹叶枯病病毒(rice stripe virus, RSV)蛋白NS3与水稻OsDRB1蛋白互作并发挥支架蛋白作用, 促进多个miRNA(microRNA)成熟, 导致植物抗病性下降; 近期, 通过与福建农林科技大学的团队合作发现, 水稻miR528的转录受Squamosa promoter binding protein(SPL)转录因子家族的SPL9调控, 病毒侵染后通过抑制SPL9的蛋白水平下调miR528前体的转录表达; 通过与美国华人学者合作发现了病毒感染后除了病毒-特异的siRNA(short interfering RNA), 还大量积累靶向内源基因的siRNA, 其机制独立于其他内源小RNA, 提示存在尚不为人知的抗病机制. 此外, 福建农林科技大学与北京大学联合研究组揭示了miR319参与调控水稻锯齿叶矮缩病毒(rice ragged stunt virus, RRSV)的致病机制. 中国科学院微生物研究所团队发现, 油菜miRNA1885受芜菁花叶病毒(turnip mosaic virus, TuMV)侵染诱导表达, 并能够靶向沉默植物抗性基因.

病毒VSR是病毒侵染植物所必需的关键因子. 中国科学院微生物研究所团队发现, 烟草RNAi途径重要蛋白RDR1具有沉默抑制子功能. 在对黄瓜花叶病毒(cucumber mosaic virus, CMV)编码的沉默抑制子CMV2b蛋白的研究中, 鉴定到一个RNA结合结构域、一个RNAi途径重要组分AGO蛋白结合结构域以及核仁定位信号, 并发现CMV2b沉默抑制子功能依赖于其RNA结合结构域; 与澳大利亚华人学者合作, 首次从分子水平证实CMV病毒卫星RNA起源于宿主植物. 中国科学院遗传与发育生物学研究所团队发现, 双生病毒甜菜严重曲顶病毒(beet severe curly top virus, BSCTV)编码的C2蛋白与植物SAMDC1蛋白互作并抑制26S蛋白酶体介导的SAMDC1蛋白降解, 进而影响植物对自身基因组以及病毒基因组的从头甲基化过程, 从而影响植物RNAi抗病毒机制. 中国农业科学院植物保护研究所团队对双生病毒中国番茄黄曲叶病毒(tomato yellow leaf curl China virus, TYLCCNV)的研究发现, 烟草E3泛素化连接酶NtRFP1能够介导TYLCCNV卫星DNA编码的沉默抑制子βC1泛素化, 以及26S蛋白酶体对βC1的降解, 减弱病毒对植物的危害.

VSR蛋白也能够直接与宿主蛋白互作, 影响植物的生长发育或免疫. 中国农业科学院植物保护研究所与清华大学联合团队发现, 芜菁黄叶病毒(turnip yellow mosaic virus, TYMV)编码的沉默抑制子P69能够与转录因子GLK互作, 引起拟南芥亮黄色花叶病症. 由清华大学、中国科学院动物研究所、美国华人学者组成的合作团队发现, CMV2b蛋白能够靶向JA信号通路蛋白, 抑制JA信号, 揭示了病毒通过影响激素信号来操纵宿主对昆虫媒介吸引力的分子机制. 中国农业大学团队研究表明, 大麦条纹花叶病毒(barley stripe mosaic virus, BSMV)编码的沉默抑制子γb被招募到病毒复制位点, 促进病毒复制; 与南京师范大学团队合作发现, γb蛋白能够与葡萄糖氧化酶互作, 抑制ROS产生从而促进病毒侵染. 中国科学院遗传与发育生物学研究所团队发现, BSCTV编码的C4蛋白通过诱导植物E3连接酶RKP表达, 调控细胞周期抑制蛋白ICK1/KRP1的降解, 进而促进病毒侵染. 北京大学研究组发现, 水稻矮缩病毒(rice dwarf virus, RDV)外壳蛋白P2靶向贝壳衫稀氧化酶下调赤霉素合成影响植物生长, 此外P2通过与生长素信号通路的OsIAA10相互作用, 抑制OsIAA10的降解从而阻断生长素信号通路, 参与RDV介导的水稻矮化表型的形成; 而另一个蛋白Pns11则通过刺激乙烯合成途径中的SAMS酶活, 增强其感染能力. 中国农业科学院植物保护研究所研究组和浙江大学研究组合作发现, 中国番茄黄化曲叶病毒(TYLCCNV)的致病因子βC1蛋白通过上调rgs-CaM表达, 抑制植物RDR6促进病毒致病力, 同时rgs-CaM还可以与SGS3互作并通过细胞自噬途径介导SGS3的分解. 清华大学团队发现, 木尔坦棉花曲叶病毒(cotton leaf curl multan virus, CLCuMuV)卫星分子编码的毒性因子βC1通过与NbSKP1蛋白互作, 抑制SCF复合物E3连接酶活性, 增强侵染力. 江苏农业科学院和南京农业大学合作鉴定了一个参与植物发育和抗病的重要lncRNA, 发现番茄黄化曲叶病毒的siRNA与寄主中此lncRNA互作决定病毒的症状发生, 而抗病品种的lncRNA通过变异逃脱siRNA的识别.

4.2 植物细胞自噬抗病毒研究取得进展

清华大学团队报道, 植物细胞自噬机制可以靶向并降解木尔坦棉花曲叶病毒CLCuMuV卫星分子编码的毒性因子βC1, 起到抑制双生病毒复制的作用; 他们还发现, 烟草中GAPCs蛋白负调控细胞自噬和植物N基因介导的病毒抗性以及其伴随的程序性细胞死亡; 与中国农业大学团队合作发现了BSMV编码的病毒沉默抑制子γb能够破坏植物自噬从而促进病毒侵染的新机制.

5 免疫与生长平衡

传统认为, 植物的免疫与生长发育往往相互拮抗, 因此农作物抗病性的增强往往制约作物产量与品质的提高. 如何协调免疫与生长发育的平衡是未来植物性状改良面临的重大问题. 我国科学家近年来在水稻免疫与生长平衡机制研究领域取得了突破性的进展. 四川农业大学的研究组与中国科学院遗传与发育生物学研究所的团队合作发现, 水稻理想株型建成的核心调控因子IPA1同时对水稻免疫具有正调控功能. 稻瘟病菌侵染迅速诱导IPA1的DNA结合域磷酸化, 增强与抗性基因WRKY45启动子的结合, 激活WRKY45基因表达和水稻免疫; 之后IPA1回复到非磷酸化状态, 激活生长发育相关基因促进植株生长和产量. 这一重要发现揭示了IPA1协调水稻免疫和生长发育的平衡的分子机制. 南京农业大学的团队也发现, 人工诱导IPA1的表达能够同时促进水稻产量和抗病性. 中国科学院植物生理与生态研究所团队发现了功能拮抗的NLR蛋白PigmS和PigmR协调免疫和生长发育平衡的分子机制. 表观遗传机制调控PigmS在穗部高表达, 通过竞争性结合破坏PigmR同源二聚体形成, 降低对水稻产量的影响; 在叶片和茎秆低表达保障PigmR的免疫功能. 这些发现揭示了农作物平衡免疫和生长发育的机制, 为农作物高产高抗品种的分子育种设计提供了新思路.

植物激素在植物免疫与生长的协调中发挥重要作用. 中国科学院植物生理与生态研究所团队系统解析水稻防卫激素与发育激素间的交互作用, 以及单双子叶模式植物间防卫激素信号的异同. 通过分析水稻中的赤霉素代谢酶基因发现, 赤霉素对水稻抗病性发挥抑制作用; 随后通过与美国华人学者合作发现, JA信号可以直接抑制GA发育信号, 并发现了一个由COI1, JAZ, DELLA, PIF蛋白组成的关键信号模块, 使得植物在需要动员防卫反应时, 抑制GA介导的生长发育, 揭示了单双子叶植物中均保守的免疫-生长拮抗机制. 华中农业大学团队发现由水稻GH3-8编码的生长素代谢酶促进对白叶枯病的抗性, 这一作用不依赖已知的防卫激素.

在植物与微生物共生领域, 中国科学院植物生理与生态研究所研究组发现, 植物与菌根真菌共生过程中, 脂肪酸是菌根真菌获取植物碳源营养的主要形式; 植物在与白粉病原真菌互作过程中, 脂肪酸也是病原真菌的碳源, 降低植物脂肪酸的合成可以抑制病原真菌致病力. 豆科植物与根瘤菌的共生及固氮是一个耗能的过程, 该所另一研究组通过对蒺藜苜蓿NIN-like protein基因家族调控共生互作的研究, 揭示了豆科植物响应环境硝酸盐信号, 抑制根瘤形成及固氮, 从而降低植物能耗的分子机制. 植物与微生物共生机制的研究将为调控植物免疫与生长发育的平衡提供新的思路.

6 抗病虫基因的分离鉴定和抗病虫育种

农作物抗病虫基因的分离鉴定, 不仅直接服务于农作物品种改良和抗病虫绿色防控, 而且在植物免疫理论的建立和发展中发挥了先行作用. 我国学者通过长期耕耘, 在农作物抗病虫基因的分离鉴定方向做出了卓越贡献. 早在20世纪90年代, 中国科学院遗传研究所团队通过对分子标记的研究, 对分离鉴定第一个水稻抗白叶枯基因Xa21作出重要贡献. Xa21成为植物免疫受体的一个重要代表. 进入21世纪以来, 我国学者充分利用分子遗传学与基因组学手段, 在分离鉴定农作物重大病虫害抗性基因方面取得快速进步, 先后分离到一大批重要抗性基因, 为推进病虫害防控提供了新手段, 为深入研究免疫机制奠定了基础. 其中最为突出的工作包括水稻抗白叶枯、抗稻瘟病、抗水稻飞虱、小麦抗白粉病及赤霉病以及玉米抗病基因的分离鉴定.

水稻白叶枯、稻瘟病和条纹叶枯病分别是水稻生产中危害最大的细菌、真菌和病毒病害. 我国学者分离鉴定到多个水稻白叶枯抗性基因, 产生了重大影响. 华中农业大学团队发现, 水稻白叶枯抗性基因Xa26和Xa4均编码类受体激酶, 表明了跨膜受体激酶在抗水稻白叶枯病中的重要作用; 首次分离鉴定到了抗白叶枯的隐性抗病基因xa13, 为解析水稻和白叶枯致病细菌间的独特互作机制提供了重要线索. 中国农业科学院作物科学研究所的团队分离鉴定到了高抗白叶枯的广谱持久抗性基因Xa23. 我国学者还分离鉴定到了一批具有重要价值的抗稻瘟基因, 主要编码NLR类型的免疫受体. 中国科学院植物生理生态研究所团队发现, 水稻中成对的NLR基因PigmR和PigmS共同决定抗性, 该项成果揭示了广谱抗稻瘟基因的调控机制, 产生了重大影响. 在另外一项同样重要的工作中, 四川农业大学的团队分离鉴定到一个广谱持久抗稻瘟基因bsr-d1, 该基因编码一个C2H2型转录因子并通过控制活性氧积累促进抗病. 中国农业科学院团队分离鉴定到了首个抗水稻条纹叶枯病基因STV11, 发现其编码磺基转移酶, 以独特的方式决定水稻的抗病性. 这几项成果是我国近年来在水稻广谱抗病研究中取得的重大突破.

水稻飞虱不仅直接危害水稻生长, 还是重要的病毒传播媒介, 对我国南方水稻生产是重大威胁. 武汉大学研究组在国际上率先分离鉴定到编码NLR蛋白的抗褐飞虱基因Bph14、编码NLR蛋白的抗飞虱基因Bph9以及编码胞吐囊泡蛋白的基因Bph6. 南京农业大学的团队分离鉴定到了编码类受体激酶的广谱、持久抗飞虱基因Bph3. 这些工作奠定了我国在世界抗稻飞虱研究领域的优势地位.

小麦生产中受到白粉病、赤霉病、条锈病等重要病害的侵染, 但受制于小麦基因组的复杂性, 小麦抗病基因一直难于分离. 南京农业大学的学者经长期努力, 成功分离鉴定到小麦抗白粉病基因Pm21和Pm60, 发现它们分别编码蛋白激酶和NLR受体蛋白. 小麦赤霉病严重威胁全球小麦安全生产, 由于赤霉病的抗原匮乏, 其防治极其困难, 因此赤霉病有小麦癌症之称. 南京农业大学团队与美国华人学者近期同时成功分离鉴定到首个中抗赤霉病的抗病基因fhb1, 并发现其是一个隐性抗病基因. 浙江大学团队发现, 生防细菌绿针假单胞菌分泌吩嗪-1-甲酰胺进入赤霉病菌细胞, 与其组蛋白乙酰转移酶Gcn5结合抑制赤霉病菌的组蛋白乙酰化, 从而抑制病菌生长、毒素合成和致病力, 为抗赤霉病微生物杀菌剂研发提供了新 视角. 条锈病对小麦主产区是一个长期威胁. 西北农林科技大学的团队与国外研究组合作, 分离鉴定到抗条锈基因Yr10, 发现其编码一个典型的NLR受体蛋白.

此外, 中国农业大学团队在玉米抗甘蔗花叶病毒和抗黑穗病基因的分离鉴定中也取得了突破, 发现玉米抗甘蔗花叶病毒基因Scmv1和黑穗病数量抗性基因qHSR1分别编码硫氧蛋白还原酶和类受体激酶, 为研究这两个玉米病害的抗性机制奠定了基础.

我国作物抗病虫育种已有近60年的历史, 是作物高产稳产的主要目标性状. 从20世纪的国家科技攻关“六五”计划开始, 围绕水稻抗稻瘟病、白叶枯病、褐飞虱、小麦赤霉病、锈病等开展了卓有成效的抗病遗传研究和育种工作, 利用常规杂交和远缘杂交分别育成了大批抗病骨干亲本和品种, 使我国在水稻和麦类抗病育种上趋于国际领先地位. 比如, 我国水稻育种家通过对农家品种的筛选, 发现了水稻抗稻瘟广谱抗性基因Pigm, bsr-d1和水稻抗白叶枯广谱抗性基因Xa4等重要基因; 广西农业科学院、中国农业科学院等研究机构通过远缘杂交, 将普通野生稻和疣粒野生稻的抗稻瘟病和白叶枯病基因导入栽培稻, 培育出一批抗病新品系. 在小麦抗病育种方面, 率先在世界上建立了抗赤霉病育种技术体系, 筛选出望水白等高抗赤霉病资源, 利用杂交育种育成高抗赤霉病小麦品种苏麦3号, 携带fhb1和其他抗性位点; 李振声先生、李晴祺先生和刘大钧先生等人利用远缘杂交结合染色体工程手段, 分别从偃麦草、黑麦、簇毛麦成功导入高抗条锈病、白粉病等多个病原菌的骨干亲本, 并培育出小偃系列等一系列重要抗病品种. 近十几年, 我国育种家通过多基因聚合, 在广谱抗病虫育种上取得了实质性进展, 育成多个广谱抗稻瘟、抗白叶枯和抗褐飞虱水稻品系, 育成扬麦系列高产抗白粉病小麦品种.

7 植物病虫害防控与生物技术

对植物-病原生物和植物-昆虫互作机制的深入研究, 催生了一系列精准设计与改良农作物抗病虫性状的生物技术. 我国学者的工作, 有力地推动了基于小RNA的抗病虫技术和基于基因编辑的抗病技术发展.

7.1 小RNA技术与农作物抗病虫防控

虽然小RNA对植物抗病的作用最早是在抗病毒研究中发现的, 但随后的大量研究表明, 宿主植物中的多种内源RNA生成, 在对真菌、卵菌以及动物病原生物的抗性中发挥重要作用. 这些研究不仅揭示了植物内源小RNA对防卫反应和生长发育关键基因的新的调控机制, 还揭示了小RNA在宿主与病原生物间的跨界转运, 发现了植物针对病原生物的新“武器”. 此外, 近年美国华人学者金海玲研究组发现, 病原生物也同样能向宿主植物细胞内转运小RNA, 这些小RNA被当作武器攻击植物的防卫系统. 我国学者的研究为植物与病原生物互作中的小RNA跨界转运提供了重要证据. 此外还发现了多个与植物抗病或病原致病相关的小RNA. 这些研究不仅拓展了对抗病/感病机制的认识, 还为抗病生物技术的发展带来了新机遇.

中国科学院植物生理与生态研究所团队构建了棉花中表达棉铃虫的细胞色素单氧酶P450基因(CYP6AE14)的 dsRNA(double-stranded RNA), 喂食棉铃虫后显著降低其CYP6AE14的表达, 提升了棉花对棉铃虫的抗性. 这一技术也称为HIGS(host-induced gene silencing). 中国科学院微生物研究所团队通过HIGS技术在棉花中表达靶向大丽轮枝菌致病基因VdH1的小RNA, 从而特异性地在响应大丽轮枝菌侵染过程中沉默大丽轮枝菌VdH1, 成功提高了棉花对大丽轮枝菌的抗病性. 这些研究为利用小RNA技术进行农作物抗病虫改良提供了良好的范例, 也暗示了植物与病虫生物间的小RNA跨界转运. 中国科学院微生物研究所团队进一步用实验生物学手段, 验证了小RNA由植物细胞向大丽轮枝菌转运这一假说. 西北农林科技大学的团队发现, 来自小麦条锈病菌的小RNA Pst-milR1对其致病力有重要作用, 利用HIGS手段沉默该小RNA编码基因可增强小麦对秆锈菌的抗性; 利用HIGS对条锈菌的蔗糖酶基因、激酶基因PsCPK1和PsFUZ7进行沉默, 在小麦中获得了对条锈菌的抗性. HIGS的成功应用, 有赖于对病原生物重要靶点的发现. 最近, 西北农林科技大学团队在小麦赤霉病致病菌禾谷镰孢菌中发现一类新的GPCR(G-protein-coupled receptor), 在致病生物学过程中发挥特异作用, 这些基因有可能成为利用HIGS技术防治赤霉病的重要靶点. 随着病原生物更多重要靶点的发现, HIGS的应用具有广阔前景.

7.2 感病基因与基因编辑技术

与大多数抗病基因不同, 华中农业大学的研究组发现水稻抗病基因xa13为隐性抗病基因. 进一步分析发现, 其与感病等位基因Xa13的编码区完全相同, 而仅仅在启动子区有差异. 随后的分析发现, Xa13蛋白定位于质膜, 具有转运蛋白活性. Xa13启动子被白叶枯细菌中具有转录因子活性的特异TALE(transcription activator-like effector)效应蛋白结合后表达, 而xa13的启动子则逃避了TALE效应蛋白的结合, 因此不表达, 表现为“抗病”. Xa13为广泛存在于不同植物中的糖转运蛋白, 其诱导表达, 能为细菌提供更多的养分. 随后的工作还发现了一个水稻中特异的转录因子, 被细菌的TALE效应蛋白利用, 控制植物感病基因的表达. 最近在小麦中发现的赤霉病抗病基因fhb1很有可能也是由感病基因突变产生而来. 中国科学院植物生理与生态研究所团队发现, 水稻中的OsGLIP1/2酯酶基因和OsBON1/3基因在病原菌感染中很可能也发挥感病基因的作用. 浙江大学的团队与国外学者合作发现, 水稻中的细胞色素P450基因CYP71A1能合成5-羟色胺, 对褐飞虱侵害有利; 在水稻中沉默或突变该基因则能导致对褐飞虱抗性. 这些研究提示了通过生物技术下调或敲除感病虫基因, 从而改良农作物抗性的新策略.

感病基因概念的提出, 对抗病虫生物技术的发展具有重要意义. 我国利用基因编辑技术, 针对感病基因进行农作物抗病改良率先取得了重大突破. 中国科学院遗传与发育生物学研究所与微生物研究所团队合作, 在六倍体小麦中利用基因组编辑技术敲除了感病基因MLO的3个拷贝, 使小麦获得对白粉病持久和广谱抗性. 相关论文被Nature Biotechnology选为该期刊20周年最具有影响力的20篇论文之一, 入选麻省理工科技评论的“2016年十大技术突破”. 此外, 中国科学院遗传与发育生物学研究所团队合作对小麦感病基因TaEDR1进行基因编辑, 也获得了中抗白粉病的六倍体小麦植物. 类似的研究在柑橘抗溃疡病的材料创制中也取得了进展. 可以预见, 随着感病基因研究的广泛开展, 基因编辑技术将更多的用于抗病虫改良.

8 机遇与挑战

植物先天免疫概念于20世纪90年代末在国际上被正式提出. 随着植物免疫受体和病原效应蛋白研究的开展, 植物免疫学基本完成了理论框架的构建和完善. 在此20年间, 我国植物免疫研究从无到有, 发展迅猛, 在抗病虫基因分离鉴定、免疫受体作用机制、信号转导、病原效应蛋白、植物-病毒互作以及抗病虫生物技术等方向上为国际学术界做出了卓越的贡献.

我国植物免疫学研究要更上一层楼, 需要进一步瞄准前沿重大科学问题. 比如, NLR蛋白是如何激活植物免疫的? 能否在率先解析植物抗病小体结构的基础上, 抓住机遇, 通过人工设计合成抗病蛋白, 使得农作物获得新的广谱持久抗性? PRR受体与NLR受体间是什么关系? 植物自身免疫如何受到动态调控? 作物免疫是否受到驯化选择? 再如, 我国在病原效应蛋白研究中做出了大量工作, 未来能否进一步挖掘与之对应的免疫受体, 为农作物抗病虫育种提供新的抗原? 通过对效应蛋白靶向的植物感病基因编辑, 进一步改良农作物的基础抗性? 植物免疫反应最终是如何阻止病原生物的侵染或定殖的? 尤其值得关注的是, 2019年国际MPMI(Molecular Plant-Microbe Interactions)大会提出了植物-微生物互作9个重大科学问题: 植物在与有益微生物互作的同时, 如何限制病原微生物? 环境因素如何影响植物-微生物互作? 如何才能将植物免疫基础研究应用到农作物抗病虫害中去? 微生物-微生物间的互作如何影响植物-微生物互作? 非寄主抗性的分子基础是什么? NLR蛋白如何诱导细胞死亡? 为什么有的病原微生物需要如此多的效应蛋白, 而有的却需要很少? 病原菌如何产生新的毒性功能? 植物-微生物二元互作研究得到的发现在生态系统中是否能被证实? 我国学者今后将瞄准这些重大前沿科学问题与国际同行开展合作与竞争, 力争在植物免疫基础理论与作物抗性设计改良寻求重大突破.

植物免疫研究必须服务于我国农业可持续发展这一国家发展的战略需求. 要实现这一目标, 仍然面临着艰巨的挑战. 与发达国家相比, 我国植物免疫的基础研究队伍与作物育种队伍的结合目前还比较松散, 还有待进一步加强, 利用抗性品种有效防控病虫害, 在实践上仍存在多方面挑战. 一是病原田间变异导致农作物抗性的频繁丧失. 如何利用植物免疫学理论, 指导持久抗性基因的鉴定和应用? 如何结合高抗的NLR编码基因和广谱抗性的PRR受体编码基因达到最佳防控效果? 如何预测田间流行毒性菌株, 把抗病品种布局和农药的精准施用相结合? 我国对病原变异的研究相对薄弱. 令人欣慰的是, 西北农林科技大学和中国农业大学的团队在小麦条锈菌和稻瘟菌的基因组变异和毒性变异研究中做了大量工作, 并积累了宝贵经验. 抗病育种的另一桎捁是缺乏可利用可利用的天然抗原. 包括小麦赤霉病、水稻稻曲病、柑橘黄龙病等重大作物病害, 在近缘物种中几乎没有抗病基因可用. 对于这些病害, 需要更好地挖掘非寄主抗性基因(尤其是编码模式识别受体的基因), 或者开发基于基因操作的生物技术, 作为未来抗病虫绿色防控的技术储备. 此外, 对抗病基因的分离鉴定基本上还停留在从育种材料到单基因逐个鉴定和克隆的传统分子遗传学方法, 效率低下. 植物抗病基因的重要特点是其巨大的多样性, 未来需要对抗病基因组以及基因组关联分析给予更多关注, 在高效鉴定抗病基因方面, 充分利用抗病基因的多样性, 更好地服务于抗病虫育种.

过去20年, 我国植物免疫研究不仅产生了一大批高水平原创性成果, 还涌现出了一批领军人才, 形成了多个优秀研究团队. 我国学者已从先前的国际研究“跟跑者”, 逐渐成长为国际同行的“并跑者”, 与他们同台竞技, 甚至在植物免疫受体结构与功能、植物广谱抗病等方向上已经成为了“领跑者”, 引领这些方向的创新性研究, 受到国际同行的高度关注。以此为新起点, 我国科学家将在植物免疫前沿研究中发挥更加重要的作用, 更好地服务于我国农作物抗病虫绿色防控这一重大战略需求.

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