【關注】南京農大連發三篇高水平關於作物疫病等論文，厲害了！
【公眾號】農藥市場信息2019-02-12 13:51:17
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厲害了
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從南京農大官網獲悉，作物疫病團隊先後在MolecularPlant發表題兩篇研究論文，朱豔教授課題組在Global ChangeBiology發表的題為一篇研究論文，下面是分別介紹。
從南京農大官網獲悉，作物疫病團隊先後在MolecularPlant發表題為「A Phytophthoracapsicieffector targetsACD11 binding partners that regulate ROS-mediated defense response in Arabidopsis thaliana」和「Phytophthorasojae effector PsAvh240 inhibits a host aspartic protease secretion to promote infection」研究論文，及朱豔教授課題組在Global ChangeBiology發表的題為「Testing the responses of four wheat crop models to heat stress at anthesis and grain filling」研究論文，下面是分別介紹。
在病原菌侵染植物的早期，質外體是病原菌進入植物細胞的「必經之地」，也是植物與病原菌戰鬥的最「前線」。植物分泌的防衛蛋白會與病原菌分泌的效應蛋白「正面交鋒」，發生一系列分子互作來「相互制衡」。在植物與病原菌之間的協同進化過程中，植物與病原菌各自都會不斷進化出新的「武器」來「投入戰鬥」。
1月28日，南京農業大學作物疫病團隊與中國科學院上海植物逆境生物學研究中心邢維滿課題組合作在著名學術期刊《分子植物》MolecularPlant上在線發表題為「Phytophthorasojae effector PsAvh240 inhibits a host aspartic protease secretion to promote infection」 的研究論文，該研究鑑定到一個植物胞外免疫的新成員，並進一步揭示了大豆疫黴菌幹擾植物胞外免疫的新機制(Molecular plant, 2019)。
這項研究首次發現了植物天冬氨酸蛋白酶參與質外體免疫來抵禦疫黴菌侵染，並且揭示了疫黴菌破壞植物質外體免疫的新策略，即疫黴菌可以向「敵後」，即植物細胞內分泌效應子來抑制植物天冬氨酸蛋白酶的外泌，拓寬了對植物與病原菌互作的認識。該研究還發現大豆天冬氨酸蛋白酶對不同疫黴菌均表現出抗病效果，為改良作物廣譜抗性提供新的基因資源。
研究通過解析大豆疫黴菌效應子PsAvh240的晶體結構，結合生物化學、分子生物學、細胞生物學等實驗方法，揭示了PsAvh240以二聚體的形式定位在植物細胞膜上發揮毒性功能的分子機制。隨後通過質譜分析鑑定到PsAvh240的互作蛋白是來自大豆的天冬氨酸蛋白酶GmAP1，並證明PsAvh240通過與GmAP1的互作來阻止GmAP1外泌到質外體發揮抗病功能。
大豆疫黴效應子PsAvh240的晶體結構（dimer）
大豆疫黴菌效應子PsAvh240作用機制模式圖
據了解，大豆疫黴引起的疫黴根腐病是大豆生產上的主要病害之一，在全球範圍內分布廣、危害重。南京農業大學作物疫病研究團隊長期聚焦於大豆與疫黴菌的分子互作，以病原菌的致病因子---效應子為分子探針（Plant Cell, 2011），就植物在胞內和胞外對病菌免疫的分子機制進行了系統的研究，為改良作物的廣譜抗病性提供了系列具有自主智慧財產權的重要基因資源（Current opinion in Microbiology, 2018）。在胞外免疫的研究中，該團隊此前發現疫黴菌在侵染早期可以分泌糖基水解酶XEG1攻擊大豆細胞壁（Plant Cell, 2015），為應對寄主蛋白酶抑制子GIP1的作用，病原菌又進化出XEG1酶活缺失突變體XLP1，以「誘餌模式」協同攻擊植物的免疫系統(Science, 2017)；而植物又可以利用膜上免疫受體RXEG1識別並抵抗XEG1的攻擊(Nature Communications,2018)。此次發現的疫黴菌效應子Avh240對大豆胞外免疫蛋白酶GmAP1的攻擊方式，將病原菌與植物的「軍備競賽」上升到了一個新的層次，揭示了病原菌與植物互作關係的複雜性。
本研究論文第一署名單位為南京農業大學，該校在讀博士生郭寶佃和王浩南為共同第一作者，王源超教授和中國科學院上海植物逆境生物學研究中心邢維滿研究員為共同通訊作者，南京農業大學的董莎萌教授、葉文武副教授、王燕副教授和中國科學院上海應用物理所的鬱峰副研究員等也參與了該研究。該研究得到了國家自然科學基金委創新群體、國家自然科學基金重點項目、國家現代農業產業技術體系、國家重點研發計劃、青年千人計劃以及中國科學院等項目的資助。
疫黴菌對作物生產和食品安全影響嚴重，被稱為作物「瘟疫」。近十年，科學家專注於馬鈴薯、大豆等作物上的疫黴病害研究，而對於蔬菜生產上影響較大的辣椒疫黴菌，尚未形成廣泛關注。辣椒疫黴菌寄主廣泛，能侵染數百種蔬菜等園藝作物。它蔓延速度快、變異頻率高、易於爆發成災，迫切需要找到其致病機制，為辣椒疫黴病害的防治提供理論基礎和實踐依據。
自然條件下，疫黴菌等有害生物與馬鈴薯、大豆、蔬菜等寄主互作時會產生多種類型的分子作為武器，攻擊寄主細胞，營造利於侵染的微環境，造成作物出現各種異常反應，這類分子即為效應子。作為應對，作物進化出複雜的免疫系統，監控並識別致害關鍵效應子，激發免疫反應；而有害生物又通過被識別效應子的變異逃脫寄主的監控與識別，致使作物抗性喪失。因此，效應子是有害生物與寄主互作過程中的橋梁和媒介，既決定著致害強度，也是植物抗性產生與否的關鍵因素，對其研究具有重要理論和實踐意義。
以往的研究表明，作物受疫黴菌感染後，就像人類的感冒發燒一樣，會激發免疫反應，用自身的免疫力殺死病菌。南京農業大學作物疫病研究團隊近年來對辣椒疫黴菌進行了系統地研究，精確定位到它的一個致病關鍵成員，即效應子RxLR207。研究人員以辣椒疫黴菌的一種寄主模式植物擬南芥為研究對象，通過靶標篩選，發現RxLR207直接作用於擬南芥中的一組未知功能蛋白，研究顯示這組蛋白與一個植物免疫系統的重要調控因子ACD11 (accelerated cell death11)互作，故將其命名為BPA1 (binding partner of ACD11)和BPLs (BPA1 Likeproteins)。
通過突變體表型分析，研究人員發現BPA1/BPLs能參與植物的防衛反應，降低寄主對辣椒疫黴菌的免疫力。其機制是通過穩定細胞中的ACD11來影響後者介導的活性氧爆發與細胞死亡等細胞學過程。同時，辣椒疫黴菌產生效應子RxLR207，以此幹擾BPA1/BPLs的正常功能，促進病原菌活體階段到死體階段的轉變，引起植物發病。該研究明確了辣椒疫黴菌一種精細的致病機理，在於RxLR207對於辣椒疫黴菌而言，是一種既不能缺失，又「過猶不及」的效應子。
此外，效應子是近年來病蟲草等有害生物研究領域的重要切入點，在解析效應子功能時，研究者更多關注它們在寄主中的已知功能靶標。與此相反，該研究選擇從未知功能靶標著手，成功鑑定到植物免疫系統中的一組新成員並解析了其作用機制，突出了利用效應子作為探針研究植物免疫系統這一策略的可行性和現實意義，為理解植物抗性發生機理與抗性調控途徑奠定了材料基礎，為植物與有害生物互作研究提供了一個新的思路。
該研究結果以」A Phytophthoracapsicieffector targetsACD11 binding partners that regulate ROS-mediated defense response in Arabidopsis thaliana」為題近日在國際知名學術期刊《分子植物》(MolecularPlant)上發表。博士後李琦與博士生艾幹為論文第一作者，竇道龍教授為通訊作者，景茂峰和張美祥兩位副教授也參與工作。該研究得到了國家傑出青年科學基金和國家自然科學基金創新研究群體等項目的資助。
全球普遍增溫的氣候背景下，農作物生產將受到多大影響？近日，由南京農業大學國家信息農業工程技術中心朱豔教授課題組，聯合全球18個國家的47所高校和科研機構的科學家，再次採用多模型集合方式，定量評估了溫度升高1.5℃和2.0℃對全球小麥產量的潛在效應，在全球和區域尺度上明確了增溫對作物生產的影響。研究成果在線發表於氣候變化領域知名雜誌《全球變化生物學》(Global ChangeBiology)。
論文第一作者、南農大國家信息農業工程技術中心劉兵副教授向記者介紹，本研究基於全球小麥主產區60個代表性站點，採用了包括國家信息農業工程技術中心自主開發的WheatGrow模型在內的國內外31套小麥生長模擬模型，在生態點、國家和全球尺度上系統評估了全球增溫1.5℃和2.0℃對小麥生產力的影響。研究結果顯示，如果考慮CO2濃度升高對小麥產量的正面效應，未來增溫情景下全球多數區域的小麥生產力略有升高，其中在增溫1.5℃和2.0℃情景下的全球小麥總產增幅分別為1.9%和3.3%。
論文通訊作者、南農大國家信息農業工程技術中心朱豔教授補充介紹，但是對於包括印度、非洲部分國家在內的小麥生長季高溫且缺少降雨的區域來說，小麥產量卻呈顯著降低的趨勢，且小麥產量波動增加、極端低產風險明顯加大。例如，在3個位於印度的代表性站點，增溫2.0℃將使得小麥極端低產的概率從現有的5%增加到15%左右。而這些產量風險加大的地區目前多屬於經濟欠發達區域，因此氣候變化的不利影響將會進一步加劇這些區域的糧食安全問題。
2015年在法國巴黎召開的全球氣候峰會上，《聯合國氣候變化框架公約》締約方制定通過了旨在控制全球氣候變化幅度的《巴黎協定》。該協定提出，本世紀末前，把全球平均溫升控制在前工業水平的2.0℃以內，並將努力把溫升限定在1.5℃內。巴黎協定發布以後，迫切需要從經濟、社會、生態、農業等方面評估全球增溫1.5℃和2.0℃所帶來的影響。而農作物生產受到氣候變化影響更是首當其衝。論文共同通訊作者、美國佛羅裡達大學SentholdAsseng教授表示，該研究在全球和區域尺度上明確了增溫對作物生產的定量影響，對於提出針對性緩解和應對措施、確保全球糧食安全生產具有極其重要的意義。
朱豔教授告訴記者，該研究是在國際農業模型比較和改進(AgMIP)國際合作項目框架下完成的，研究聯合了美國佛羅裡達大學、NASA-GISS研究所、法國國家農業科學研究院、德國波恩大學、波茨坦氣候研究所、丹麥哥本哈根大學、英國利茲大學等18個國家47所高校和科研機構的科學家合作完成，並且得到了國家傑出青年科學基金、國家「111」引智基地項目以及江蘇省高校優勢學科建設工程的資助。近年來，課題組通過研究生聯合培養、合作項目研究、舉辦國際會議等多種形式廣泛開展國際交流合作，與國際作物模型領域的主要研究機構均建立了良好的合作關係。
據了解，這是該課題組繼在國際著名期刊Nature Climate Change (2016)、PNAS (2017)及Global Change Biology (2014 &2016)發表相關研究成果之後在氣候變化效應評估領域取得的又一新進展。
來源：植物科研圈
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