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Science Bulletin

花匠小妙招
2024-09-17 15:59

植物在整个生长季节都可能受到多种病原菌的侵害。在植物与病原菌长期的斗争中，植物逐渐演化出一套复杂的先天免疫系统，以抵御病原菌的攻击。通常，在病原菌侵染时，植物会在侵染点激发局部的免疫反应，以限制病原菌的入侵。然而，植物免疫反应的激活往往伴随着能量的消耗和代谢物质的改变，对生长和发育带来不利影响。特别是在免疫反应持续性高强度激活时，可能导致植物生长受限，农作物产量下降等问题。因此，植物免疫与生长之间存在权衡交易（trade-off）的问题，即抗病性需要付出的代价。

植物如何协同调控免疫与生长发育之间的交互作用，不仅是一个重要的科学问题，也是作物高产稳产（抗病）育种的关键瓶颈。中国科学院分子植物科学卓越创新中心的何祖华院士团队长期以来一直专注于这个重要的科学与育种问题。近日该团队在Science Bulletin发表了题为“The seesaw action: balancing plant immunity and growth” 的专家评介文章。文章详细阐述了近年来在作物驯化、表观遗传修饰以及蛋白翻译后修饰等方面，调控植物免疫与生长平衡的重要进展（图1）。与此同时，该评介文章提出了新的见解和未来的研究方向，深化了对植物免疫与生长的协同调控机制的认识。

图1. 植物多层次协同调控免疫与生长平衡的最新研究进展

过去，人们普遍认为植物免疫与生长的权衡交易是以抑制生长为代价转向防御代谢的结果。然而，最新研究表明，这种权衡并非仅由养分或能量供应限制所决定，而涉及到复杂的多层次调控机制和信号途径。植物固定生长且无法移动，因此在面对光照、温度和逆境胁迫等环境条件时，必须动态地整合不同的信号通路调整能量和代谢物质的分配，使之用于生长或防御。因此，未来植物免疫与生长平衡调控研究的关键方向包括：

（1）在胁迫环境条件下植物的免疫与生长是如何协同调控。全球变暖、极端气候和快速变异的病原菌对农业带来了巨大挑战。通过分析光照、温度、湿度和非生物逆境胁迫等因素对植物免疫与生长发育的影响，进行植物免疫、生长发育和非生物逆境抗性等方面的交叉互作研究，为未来作物育种提供理论基础和技术支持。

（2）加强野生资源的广谱抗病性研究，在现代栽培品种中重构野生资源的广谱抗性，实现作物高产高抗的育种目标。野生近缘植物拥有丰富的遗传资源和抗病基因，利用这些基因可有效提高现代栽培作物品种的抗病性。

（3）优化抗病基因的人工设计，解耦免疫与生长的权衡交易。利用人工智能技术根据免疫受体的蛋白结构进行抗病基因的优化设计和功能模拟，并进行大规模的抗病性和生长性状表型验证，实现农作物抗病与高产性状的耦合和绿色生产的目标。

总体而言，植物已经演化出精细的免疫与生长的权衡调控机制，在适应不断变化的病原菌攻击的同时仍能保持生长和高繁殖的能力。因此，在分子水平上理解免疫与生长的权衡调控机制，将为培育高抗高产的农作物新品种提供新的理论和方案。