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【前沿】张正光课题组:光照如何提升水稻对稻瘟病菌的免疫力

2019-08-13来源:南农新闻-NJAU NEWS作者:刘木星 陈洁

稻瘟病是水稻生产上的毁灭性病害,严重时颗粒无收,威胁着我国乃至全世界粮食安全。该病害在连续阴雨连绵、光照不足时常常会大爆发,但是其机制至今仍不清楚。

南京农业大学张正光课题组研究发现,有些水稻品种在光照较弱时,稻瘟病发病严重,而光照强时,则发病弱。阳光和水稻的抵抗力之间有着什么样的神秘关系呢?

研究表明,水稻体内有一种专门负责吸收和传递光能的水稻捕光复合体(LHC, Light harvesting complex)家族,其成员之一LHCB5,正常情况下,会跟他的工作伙伴PsbS (Photosystem II subunitS,一种电子转运相关蛋白)一起在叶绿体中组团工作。张正光团队发现,在光照条件下,稻瘟病菌入侵水稻时,LHCB5的第24位苏氨酸发生磷酸化,给水稻体内拉起来“战时警报”。

水稻“战时警备”状态下,LHCB5会一反常态,加速向叶绿体中积累,撇开老朋友PsbS,自身以“三人特别行动队”的方式快速聚合。大量特别行动队在叶绿体中快速集合“巡逻”和“戒严”,导致叶绿体正常的电子行动不便,转运速率下降,这些电子在叶绿体中大量积累,就找到氧气合作,诱发叶绿体中活性氧的迸发,唤醒了叶绿体内的专门的抗病相关基因,从而提高了水稻对稻瘟病菌的反抗能力(抗病性)。

该研究同时分析了3000份水稻种质资源,发现LHCB5基因的启动子区域存在丰富的多态性位点(SNPs, Single nucleotidepolymorphisms),不同的SNPs决定着LHCB5基因转录水平的高低,并且在粳稻和籼稻品种中存在明显分化,粳稻中LHCB5的转录水平显著高于籼稻品种。进一步对200多份水稻材料进行转录水平和抗性关联性分析,发现LHCB5的转录水平与抗性呈正相关。且LHCB5超表达的转基因水稻对稻瘟病菌不同的小种表现出广谱抗性。有意思的是,LHCB5的磷酸化主要发生在高转录水平的水稻材料中,且LHCB5的磷酸化与抗性呈正相关。更为重要的是LHCB5磷酸化调控的抗性与含有理想型启动子的后代共分离,证明LHCB5的磷酸化是可遗传的,这对后期选育抗病品种具有重要意义。

早在上世纪60年代,George McNew就提出“病害三角”的概念,即具有致病力的病原物、感病的寄主植物和适宜的环境条件,三者互相配合才能导致病害的发生。以往对水稻抗病性的研究,往往就聚焦在病原物和寄主植物上,受“病害三角”理论启发,张正光团队此次将研究聚焦在环境条件方面,揭示了光照和水稻抗稻瘟病菌机制之间的关系。研究成果发表在“美国科学院院报”(PNAS, IF5=10.359)上,论文题目:Phosphorylation-guarded light-harvesting complex II contributes to broad-spectrum blast resistance in rice。该论文第一署名单位为南京农业大学,我校植保学院刘木星博士为第一作者,我校张正光教授为通讯作者。我校郑小波教授、崔中利教授、张海峰教授、沈丹宇副教授及菲律宾国际水稻所的Bo Zhou教授与Suobing Zhang博士、吉林农业大学的孙文献教授、美国路易斯安娜州立大学的Ping Wang教授与俄亥俄州立大学的Guo-LiangWang教授参与了该研究。

该工作从遗传和分子生物学水平上揭示了水稻如何利用光照调控自身免疫的机制,为选育抗病水稻品种提供新思路。该项目得到了国家自然科学基金委的重点项目和创新群体及江苏省科技创新团队等项目资助。

光照调控水稻捕光复合体蛋白LHCB5磷酸化介导对稻瘟病菌广谱抗性的机制

论文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.1905123116


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