編者按
2021年12月16日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心何祖華團隊在Nature發表了題為NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity的研究論文，揭示了一條全新的基礎免疫代謝調控網路，發現了水稻廣譜抗病NLR免疫受體透過保護該防衛代謝通路免受病原菌攻擊，協同整合植物基礎抗病性（PTI）和專化性抗性（ETI）兩層免疫系統，賦予水稻廣譜抗稻瘟病的新機制。鑑於該研究的重要性，中國科學院分子植物科學卓越創新中心陳曉亞院士對該項研究做了點評，以饗讀者！
專家點評
陳曉亞 院士（中國科學院分子植物科學卓越創新中心）
水稻廣譜抗病的免疫代謝調控研究取得新突破
水稻是我國重要的糧食作物之一。但水稻整個生長期間，從幼苗到開花結實，都會受到由真菌 Magnaporthe oryzae 引起的稻瘟病的危害。稻瘟病會造成水稻的減產甚至絕產，是水稻生產中最嚴重的病害，被稱為水稻的頑症，2020年被列入我國首批《一類農作物病蟲害目錄》。因此，加強對稻瘟病的防治，是我國糧食安全生產的主要任務之一。在育種工作中，挖掘和應用廣譜持久抗病基因是控制稻瘟病最為經濟、安全和有效的方法，也是實現綠色生態農業的重要保障。
植物在與病原菌長期共進化中，建立起兩層免疫系統。其一，透過位於細胞膜表面的免疫受體PRRs識別病原菌表面的表徵分子PAMPs，從而啟用免疫反應，稱之為基礎抗病性免疫反應（PTI），相當於植物對抗病原菌的外圍防禦。但這類免疫反應往往抗性程度低，在實踐中不足以作為抗病育種的靶標。其二，位於植物細胞內的免疫受體NLR透過感知病原菌分泌的效應子蛋白（effectors）激發免疫反應，稱之為專化性抗性的免疫反應（ETI），相當於植物對抗病原菌的圍殲戰，其抗性水平高，能有效控制病害，是抗病育種的主要靶標。但這類抗性往往具有病原菌小種專化性強的弱點，即只對某些小種有抗病功能。有意思的是，PTI 和ETI會相互促進，協同調控植物的抗病性。因此，如果能共同促進PTI與ETI的抗性反應，植物就會產生廣譜抗病性。從這一點來說，抗病途徑中的防衛分子的代謝途徑如何被啟用和強化，是植物病理學領域的重要科學問題。
何祖華團隊2021年12月16日在Nature雜誌上發表了題為NLRs guard metabolism to coordinate pattern- and effector-triggered immunity的研究論文, 很好地回答了植物在與病原菌的軍備競賽中如何透過調控防衛代謝，以獲得廣譜抗病性這一關鍵問題，是相關領域的一項突破性成果！
該研究團隊綜合利用植物病理、分子遺傳、生化生理等研究策略鑑定到一條新的植物免疫代謝通路：PICI1—OsMETS—蛋氨酸—乙烯。去泛素化酶PICI1作為一個新的免疫調控蛋白，透過增強蛋氨酸合酶OsMETS的穩定性，促進蛋氨酸—乙烯代謝通路，而乙烯直接參與水稻抗瘟性，並且證明該途徑是植物協同整合PTI和ETI兩層免疫系統的重要策略之一。研究發現，水稻和稻瘟病菌長期處於類似於“軍備競賽”的共進化中，一些病原菌小種所分泌的毒性蛋白可以靶向降解PICI1，進而抑制水稻的基礎抗病性。這一發現說明這條免疫代謝通路在植物與病原菌相互過程中起著核心作用。更為重要的是，他們發現，水稻進化產生的廣譜抗病NLR類受體如PigmR等透過競爭性抑制毒性蛋白與PICI1的互作，保護並加強此代謝通路，從而激發更為強烈的ETI抗性（圖1）。這個研究也回答了長期以來後困擾學術界的一個問題：哪個防衛激素特異性調控水稻對稻瘟病的抗病性。
圖1. PICI1-OsMETS介導的免疫代謝調控模型
這是一個新的植物與病原菌“軍備競賽”的互作研究範例，揭示了一條新的免疫代謝通路，回答了植物在與病原菌協同進化過程中，如何調集防衛反應的初級代謝，以獲得廣譜抗病性的重要科學問題。同時，也揭示了水稻NLR受體介導的專化性抗病性依賴於基礎抗病性的保守的分子與生化機制，為水稻及農作物的精準抗病育種設計奠定了理論基礎。
他們對3000份水稻品種的基因組資料分析發現，PICI1啟動子具有秈粳分化的自然變異位點，與水稻對稻瘟病的田間抗性緊密關聯，從而為水稻抗病育種提供了新的靶點。
近年來，隨著全球氣候的變化，農作物病害爆發頻繁。為了獲取糧食的高產穩產，農業生產中施加大量農藥，嚴重影響生態環境和食品安全，是我國農業生產中亟待解決的重大問題之一。透過加強水稻“NLR—PICI1—蛋氨酸—乙烯”防衛代謝網路，有望提高水稻廣譜持久抗稻瘟病的能力，並降低農藥的施用，為農業生產的可持續發展提供新的策略。
公眾號
論文連結：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-04219-2
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