植物抗病增产新纪元:华中农业大学博士生Nature Plants发表研究成果
提高作物的产量和抗病性是全球农业育种的核心目标。然而，植物快速生长往往与对病原体和害虫的敏感性增加密切相关。当植物的免疫反应被激活时，其生长往往受到抑制。这种生长与防御之间的权衡，受到多种蛋白质的调节。例如，转录因子TBF1在增强植物免疫力的同时抑制生长，而BZR1则促进植物生长但降低防御能力。在这方面，水稻转录因子理想植物结构（IPA1）显得尤为突出。研究发现，在正常生长条件下，IPA1能够有效提高水稻的产量；而在病原体感染时，IPA1被磷酸化后则能激活免疫反应。然而，IPA1的过表达虽能显著增强抗病性，却会大幅降低植物的生长和产量。因此，诱导性IPA1的过表达策略被视为同时提升水稻产量与抗病性的理想方案。识别这些关键基因并了解如何高效利用它们，将有助于实现更好的作物保护和更高的产量，为全球粮食安全做出贡献。高产和抗病性一直是作物育种的重要目标。然而，现实中这两者往往存在矛盾关系。通常情况下，高产品种往往伴随着较差的抗性，而高抗性品种在产量上则表现不佳。因此，如何有效平衡产量与抗性的关系，培育出既高产又抗病的优质品种，成为了育种研究中的一大难题。目前，科学家们已经发现一些基因能够在不降低产量的情况下增强植物的抗性。然而，能够同时提高产量和抗性的基因仍然较为稀少，这类基因无疑是育种家们梦寐以求的“金钥匙”。叶绿体作为绿色植物进行光合作用的主要细胞器，不仅是作物产量形成的能量源泉，还在植物的免疫系统中扮演着关键角色。因此，深入研究叶绿体相关基因的功能，有助于我们在育种中实现产量与抗性的双重提升。最近，华中农业大学果蔬园艺作物种质创新与利用全国重点实验室、洪山实验室，以及农业农村部马铃薯生物学与生物技术重点实验室的研究团队，带领的田振东教授课题组在《Nature Plants》上发表了一项重要研究，题为“Chloroplast elongation factors break the growth-immunity trade-off by simultaneously promoting yield and defence”。在研究过程中，英国邓迪大学的Paul Birch教授和西北农林科技大学的王海霞教授为我们提供了宝贵的指导和支持。此外，研究生吴佳辉、杨筑、李红军、刘琅、吴昕雅等同样参与了项目的研究工作，共同努力推动着科研的进展。这项研究得到了多方的资助支持，包括国家重点研发计划、国家自然科学基金以及浙江省“尖兵领雁+X”研发攻关计划等项目。这些资助的到来，为我们提供了必要的经费和资源支持，使得我们能够在科研领域中不断取得新的突破和进展。该研究深入探讨了马铃薯叶绿体延伸因子StTuA/B的表达如何在提升植物光合作用效率的同时，增强其对晚疫病的抵抗力。研究表明，通过增强StTuA/B的表达，不仅能够显著提高马铃薯的产量，还能有效提升其抵御晚疫病的能力。更有趣的是，研究还揭示了晚疫病菌效应分子Pi22926的作用机制。该效应分子通过抑制StMAP3Kβ2对StTuA/B的磷酸化，阻碍了其进入叶绿体，最终导致StTuA/B在细胞质中被降解，从而削弱了植物的防御反应。这一发现不仅为理解植物如何平衡生长与免疫提供了新的视角，也为未来马铃薯的抗病育种开辟了新的方向。叶绿体在植物的生长发育与免疫调控中扮演着关键角色。本研究集中于马铃薯和本氏烟中叶绿体延伸因子StTuA和StTuB的过表达，结果显示这些植物对多种病原菌（如晚疫病菌和辣椒疫霉）表现出显著的抗性。此外，过表达的植物在生物量和产量上也明显高于对照组。研究表明，StTuA和StTuB作为叶绿体延伸因子，能够提升叶绿体内蛋白翻译的效率，促进光合作用相关蛋白的合成，并调节在病原诱导下的叶绿体活性氧清除相关蛋白的表达。这些机制共同作用，实现了抗病和增产的双重效果。课题组之前的研究揭示，晚疫病菌的效应子Pi22926通过靶向免疫正调控因子StMAP3Kβ2，抑制了马铃薯的免疫应答。然而，这一机制的具体细节仍未明确。后续研究表明，Pi22926在马铃薯及本氏烟的表达不仅影响叶绿体的发育，还对植物的生长和免疫反应产生抑制作用。这些发现为我们理解晚疫病菌如何通过效应子干扰宿主植物的免疫系统提供了重要线索，同时也为未来的抗病育种策略奠定了基础。该图展示i22926对马铃薯生长发育与免疫的抑制作用StTuA/B叶绿体延伸因子在提升作物抗病性与产量方面的作用
研究进一步揭示了叶绿体延伸因子StTuA和StTuB与Pi22926之间的相互作用。实验结果表明，通过过表达StTuA和StTuB，马铃薯和本氏烟草都展现出了对抗多种病原体，包括晚疫病的能力，并且产量或生物量也得到显著增加。相反地，减少这两种因子的表达将导致叶绿体发育异常、叶片出现黄化现象，植物的抗病能力也将明显下降。进一步分析发现，StTuA/B的作用不仅在于提高叶绿体内蛋白质的合成效率，促进光合作用相关蛋白的表达，而且在植物受到病原体威胁时调节叶绿体内活性氧的清除过程，从而实现了增加产量和提升抗病能力的双重效果。该图展示利用叶绿体延伸因子StTuA/B增强马铃薯对晚疫病的抗性与产量效应子Pi22926与叶绿体延伸因子StTuA和StTuB之间存在相互作用。过表达这两种因子的马铃薯和本氏烟在抵御多种病原菌（如晚疫病菌和辣椒疫霉）方面展现出显著的抗性，同时其产量和生物量也明显高于对照组。然而，当StTuA和StTuB的表达被沉默时，叶绿体的正常发育受到影响，植株出现黄化和失绿现象，抗性显著下降。深入分析发现，StTuA和StTuB作为叶绿体延伸因子，能够提升叶绿体内蛋白的翻译效率，促进光合作用相关蛋白的表达，并在病原诱导时调节叶绿体内活性氧的清除蛋白的表达，从而实现抗病增产的效果。此外，核编码的StTuA/B蛋白在细胞质中合成后，需要依赖StMAP3Kβ2激发的磷酸化及伴侣蛋白StHSP70-3的帮助才能转运入叶绿体。晚疫病菌在侵染过程中分泌的效应子Pi22926会同时靶向StMAP3Kβ2与StTuA/B，通过抑制StMAP3Kβ2的磷酸化，使StTuA/B滞留在细胞质中，并促使其被26S蛋白酶体降解。这一过程直接影响了马铃薯的生长发育和免疫反应，揭示了病原菌如何通过操控植物内源因子来抑制植物的生长和免疫能力。在经过超过10年的持续研究探索之后，科学家们揭示了效应子Pi22926对植物免疫应答的抑制机制。通过利用晚疫病菌效应子作为研究探针，他们发现了一系列同时调控植物光合作用和免疫反应的重要靶标基因。StTuA/B作为叶绿体蛋白表达的关键调控因子，平衡了植物的生长与免疫功能，同时提升了作物的产量和抗性，展示了在育种过程中利用叶绿体蛋白调控的巨大潜力。免责声明：本号对所有原创、转载文章陈述与观点均保持中立，内容仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有，如有侵权，请留言联系更正或删除。
