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水稻細(xì)胞表面的關(guān)鍵受體蛋白OsCERK1能夠辨別免疫或是共生信號(hào),特異介導(dǎo)植物的共生或免疫反應(yīng)。但這也需要一定監(jiān)管,若受體OsCERK1觸發(fā)的免疫反應(yīng)失控,將引發(fā)過(guò)度的免疫反應(yīng),雖然對(duì)病原體的抵抗增強(qiáng)了,但也阻礙了植物生長(zhǎng)和與互惠菌根共生的建立。關(guān)于水稻體內(nèi)如何有效調(diào)控這種潛在的過(guò)度激活的免疫反應(yīng),長(zhǎng)久以來(lái)一直是科研界尚待揭曉的謎團(tuán)。
抵御外敵的同時(shí),OsCERK1控制水稻菌根共生的建立,使叢枝菌根真菌進(jìn)入植物根系,并利用其發(fā)達(dá)的菌根網(wǎng)絡(luò)協(xié)助水稻更高效地吸收磷、氮等關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育。因此,該研究揭示了OsCIE1這一“緊箍圈”,及其“咒語(yǔ)”Ser237磷酸化位點(diǎn),在植物免疫和共生中的作用,不僅闡明了植物協(xié)同調(diào)節(jié)免疫、共生和生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)制,同時(shí)也為未來(lái)綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了基因資源。
然而,當(dāng)水稻面臨病原真菌入侵時(shí),真菌細(xì)胞壁上的長(zhǎng)鏈幾丁質(zhì)迅速誘導(dǎo)OsCERK1的激酶活性。該激酶將磷酸基團(tuán)分子添加至OsCIE1蛋白表面的關(guān)鍵區(qū)域,抑制OsCIE1限制OsCERK1的能力,從而解除“緊箍圈”的束縛。此時(shí),免疫信號(hào)通路被OsCERK1成功激活,啟動(dòng)植物免疫反應(yīng),抵抗病原菌的侵染。
在建立互惠互利共生關(guān)系時(shí),共生菌根真菌會(huì)釋放大量短鏈幾丁質(zhì)作為信號(hào),通知植物為建立共生關(guān)系做準(zhǔn)備。而病原菌則會(huì)極力避免幾丁質(zhì)分子的泄露,尤其是長(zhǎng)鏈幾丁質(zhì),以免被植物識(shí)別并激活免疫反應(yīng)。
值得注意的是,促進(jìn)水稻營(yíng)養(yǎng)吸收和生長(zhǎng)的叢枝菌根菌,與對(duì)水稻造成毀滅性病害的稻瘟病菌均屬于真菌界。它們的細(xì)胞表面都覆蓋著一種名為幾丁質(zhì)的多聚糖類物質(zhì)。那么植物又是如何區(qū)分有益還是有害微生物的呢?原來(lái)長(zhǎng)短有別。短鏈幾丁質(zhì)可以作為共生信號(hào),而長(zhǎng)鏈幾丁質(zhì)則會(huì)觸發(fā)植物的抗病免疫反應(yīng)。
通博官方网址5月15日,澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者從中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心了解到,中國(guó)水稻生產(chǎn)主要面臨的挑戰(zhàn)包括:一、水稻生長(zhǎng)過(guò)程中常常受到稻瘟病等病原真菌的侵?jǐn)_,過(guò)度依賴化學(xué)農(nóng)藥,從而對(duì)環(huán)境和食品安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。二、水稻對(duì)磷、氮等營(yíng)養(yǎng)元素的巨大需求,導(dǎo)致過(guò)度施肥,嚴(yán)重污染環(huán)境。
研究發(fā)現(xiàn)了一種名為OsCIE1的調(diào)控蛋白能夠束縛OsCERK1激酶活性。在無(wú)病原菌侵染的時(shí)期,OsCIE1能夠像“緊箍圈”一樣,將一種名為泛素的小蛋白分子連接到OsCERK1蛋白表面,抑制OsCERK1的激酶活性,防止免疫過(guò)度激活。
北京時(shí)間5月15日,中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤團(tuán)隊(duì)、張余團(tuán)隊(duì)以及何祖華院士團(tuán)隊(duì)在水稻免疫機(jī)制研究上取得了重大突破。該成果以“Release of a ubiquitin brake activates OsCERK1-triggered immunity in rice(水稻通過(guò)釋放泛素制動(dòng)器來(lái)激活由OsCERK1介導(dǎo)的免疫反應(yīng))”為題,在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表,為深入理解植物如何巧妙使用免疫系統(tǒng)這把雙刃劍協(xié)調(diào)抗病、共生和生長(zhǎng)的平衡奠定了理論基礎(chǔ)。
分子植物卓越中心王二濤研究員、張余研究員和何祖華院士作為文章共同通訊作者,王二濤研究組的博士后王鋼、博士生陳曦以及張余研究組的已畢業(yè)博士生俞承志作為共同第一作者。王二濤研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)致力于植物與微生物共生機(jī)理和應(yīng)用的創(chuàng)新研究,并在該領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果。
科研人員通過(guò)合作利用結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法,精確鑒定了控制OsCIE1“緊箍圈”松緊的關(guān)鍵位點(diǎn)Ser237。當(dāng)Ser237位點(diǎn)被OsCERK1磷酸化修飾時(shí),如同緊箍咒失效,OsCERK1便可展現(xiàn)其威力,積極抵御外敵。而一旦Ser237位點(diǎn)未被磷酸化,緊箍咒再次發(fā)揮作用,OsCERK1則恢復(fù)平靜。
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