CELL|碧云天产品助力水稻免疫机制研究


由于缺乏专业的免疫细胞，植物进化出了一种复杂的免疫应答机制来抵抗病菌侵害。植物免疫激活后，细胞内会出现大量活性氧产生、胞内钙离子增多、激酶活化以及细胞过敏性坏死现象。植物免疫反应可以有效抵抗病原体的侵害，但是持续的免疫应答也会影响植物的生长和环境适应性。因此如何精确调控植物免疫反应使其能够快速应对病原体的侵害同时又不影响正常生长一直是科研人员的重点研究方向。

2021年9月30日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究团队在《Cell》杂志表题为“Ca2+ sensor-mediated ROS scavenging suppresses rice immunity and is exploited by a fungal effector”的研究论文。研究人员发现了一种调节水稻免疫的关键性分子ROD1，其能够促进ROS清除，并且能够抑制植物机体对多种病原体的免疫应答。在没有病菌感染时，植物免疫会维持在较低水平，利于水稻生长，产量增加。当受到病菌侵害时，植物也可通过ROD1减弱植物的免疫反应，从而保证植物在抵抗病菌侵害时也能维持正常生长。本文解析了水稻调控自身免疫反应与维持正常生长的分子机制，为提高水稻产量，有效控制水稻病害提供了理论依据。

由稻瘟病菌、黄单胞菌和青枯菌所引起的稻瘟病、白叶枯病和青枯病是目前水稻发生的主要病原灾害，严重影响水稻产量。通过对多种水稻种类和不同栽培品质的筛选，研究人员发现具有ROD1突变的水稻对以上三种病原菌表现出了广谱的抗菌性。与普通水稻相比，具有ROD1突变的水稻中具有更高水平的茉莉酸和水杨酸浓度，说明突变体水稻的抗病防卫反应处于持续激活状态。RNA测序结果显示，在突变株中，ROS稳态和细胞壁加固相关基因明显上调，而Ca2+结合相关基因则出现显著下调，这些数据表明ROS代谢和Ca2+结合可能参与ROD1介导的免疫调控过程。同时，由于持续的免疫激活，突变株水稻的产量也会受到一定影响，在正常情况下，突变株水稻产品会明显降低；而在病菌感染的情况下，突变株水稻产量则会显著提高，说明ROD1突变对于水稻免疫反应和产量调节具有重要意义。

水稻叶片是发生病原菌感染的主要部位，研究人员通过原位杂交实验发现ROD1也主要表达在水稻叶片中，并且其表达情况受到病原菌感染的调控。同时，ROD1在水稻花序分生组织和幼穗中也呈现高表达，说明ROD1与水稻产量密切相关。

ROD1基因编码产生225个氨基酸长度且含有C2结构域的蛋白，其中C2结构域是常见的钙离子感受器，通过MST实验，研究人员也证实ROD1蛋白能够与Ca2+结合，而ROD1D132N和ROD1D-quad突变体则失去了和Ca2+结合能力。进一步研究表明，Ca2+会同时影响ROD1与脂质的结合能力、ROD1的细胞定位，从而影响ROD1介导的免疫抑制效果，以及对水稻生长的调控过程。

另外，通过酵母双杂交实验，研究人员发现RIP1和APIP6这两个双环E3泛素连接酶能够与ROD1相互作用，将ROD1与RIP1或APIP6共孵育，均可观察到ROD1泛素化的蛋白条带。同时，在RIP1和APIP6敲除植株中，ROD1水平出现明显增加，对三种病菌的抗病性则明显减弱，而在RIP1和APIP6过表达的植株中则存在相反现象。上述结果证明泛素化连接酶RIP1和APIP6也能够影响ROD1蛋白的稳定性，进而影响ROD1介导的植物免疫调控过程。

在上述酵母双杂交实验中，研究人员还发现过氧化氢酶CatB也可能与ROD1相互作用。利用SLC(split luciferase complementation)和Co-IP实验，研究人员证实ROD1与CatB能够相互作用：ROD1通过激活CatB促进ROS清除，从而达到抑制植物免疫的作用。

另外，研究人员发现稻瘟菌效应因子AvrPiz-t也能够与E3泛素连接酶RIP1和APIP6相互作用，同时AvrPiz-t也会抑制植物免疫且机制不明。因此研究人员猜想，AvrPiz-t是否与ROD1具有相类似的免疫调控机制。为了验证这一猜想，研究人员进行了酵母双杂交实验和Co-IP实验，结果发现AvrPiz-t也会与CatB相互作用，促进其对过氧化氢的清除。为了进一步证实AvrPiz-t与ROD1的相似性，研究人员在水稻和稻瘟菌中同时进行了相互遗传互补实验，结果显示在rod1突变株中，AvrPiz-t会显著抑制植株的抗病性，而其他稻瘟菌的效应因子则不会对突变株的抗病性产生任何影响。而在AvrPiz-t功能缺失的TH12突变菌株中，SPAvrPiz-t-ROD1（AvrPiz-t信号肽与ROD1嵌合蛋白）也能使其转化为部分无毒菌株，说明AvrPiz-t与ROD1具有相类似的功能。同时三级结构预测结果显示，二者也具有相同的三级结构。

综上所述，本研究揭示了水稻中钙离子感受蛋白ROD1调控水稻免疫、平衡水稻抗病性与正常生长的分子机制。同时还发现了稻瘟菌中与ROD1具有类似功能且作用机制相同的效应因子AvrPiz-t抑制水稻免疫反应的作用机制，为人们更好地理解植物抗病理论机制、设计抗病基因提供了新的思路，对水稻育种，提高产量具有重要意义。

在研究中，研究人员选用了碧云天高品质过氧化氢酶检测试剂盒，用于CatB酶活性测定。

产品编号 产品名称 产品包装
S0051 过氧化氢酶检测试剂盒 100次
S0038 过氧化氢检测试剂盒 150次

论文链接：
Gao et al., Ca2+ sensor-mediated ROS scavenging suppresses rice immunity and is exploited by a fungal effector, Cell 2021
https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.09.009