近年来, 植物抗病免疫研究取得了突破性进展, 包括病原识别、免疫信号转导及植物-病原-介体-环境互作等。这些研究不仅增强了我们对植物抗病免疫的理解, 还为分子育种和分子遗传学研究奠定了坚实的基础。近期, 国内多家单位相继在植物免疫机制研究中取得了令人振奋的新突破, 从植物应对病原的识别机制、次级代谢产物参与植物抗病反应过程、 禾本科作物的抗病模块和基于人工智能的抗病小肽设计等不同层面对植物免疫反应的分子机制进行了深入解析。随着CRISPR/Cas9基因编辑技术和人工智能的快速发展, 这些研究成果将有助于创制具有抗病特性的新种质, 从而加速抗病作物新品种的培育过程, 对于抗病生物育种和国家粮食安全具有重要意义。

水杨酸(SA)是一种植物酚类天然合成产物, 对免疫反应具有重要的调控作用。植物主要通过异分支酸合酶(ICS)途径和苯丙氨酸解氨酶(PAL)途径合成水杨酸, 并被水杨酸受体NPR1等感知, 激活植物免疫反应。拟南芥(Arabidopsis thaliana)等十字花科植物主要通过ICS途径合成水杨酸, 而单子叶植物和非十字花科双子叶植物则主要通过PAL途径合成水杨酸。长期以来, 人们对水杨酸PAL合成途径的认识不完整, 导致水稻(Oryza sativa)等作物中水杨酸介导的植物免疫反应研究滞后, 极大地制约了作物抗病育种改良进程。近期, 我国3个研究团队独立破解了水杨酸在水稻等作物中的PAL合成途径。该文以此为契机, 综述了水杨酸介导的植物免疫反应研究进展, 着重梳理了植物体内的水杨酸合成途径, 总结了水杨酸被植物感知并激活免疫反应的机制, 展望了水杨酸调控植物免疫反应研究中存在的问题和未来的研究方向, 以期为相关理论研究和抗病育种应用提供新思路和新方向。

作为抵御病原入侵的核心防线, 植物天然免疫系统的受体识别与信号转导机制已建立较为完善的框架。该文对国内近期植物免疫领域取得的5项关键突破进行了阐述。(1) 发现了真菌染色体非均等分配及卵菌染色体融合驱动毒力进化的新规律; (2) 阐明了豆科植物中激酶MtLICK1/2通过磷酸化修饰MtLYK3精确调控“共生-免疫”转换的分子开关机制; (3) 明确了禾本科作物中串联激酶与NLR免疫受体以“sensor-executor”配对模式协同激活免疫的新范式; (4) 创新性提出“感受型与辅助型NLR共转移”策略以克服物种限制; (5) 开发出基于病原蛋白酶切割的自激活NLR嵌合体工程化改造技术, 赋予了植物广谱抗性。上述研究成果从病原适应性进化、宿主免疫精细调控及受体工程应用3个维度, 深化了对植物-病原-环境互作复杂网络的理解, 成功将基础机制认知转化为作物抗病遗传改良实践, 为设计培育具有持久、广谱抗性的作物新品种提供了坚实的理论基础与可操作的技术路径。

病原体侵染严重威胁植物的正常生长发育, 是造成作物减产的主要因素之一。植物免疫系统在植物抵抗病原体侵染中发挥核心作用。自2006年提出植物免疫系统主要由模式触发的免疫(PTI)和效应子触发的免疫(ETI)两层防御体系组成以来, 大量的研究工作聚焦于解析PTI和ETI中的关键受体/共受体、PTI和ETI信号通路的组分及其作用机制、植物免疫激素水杨酸和茉莉素的合成与信号转导, 逐步形成了以病原体识别、活性氧爆发、Ca²⁺内流、MAPK级联信号转导及下游防御基因诱导表达为核心的复杂免疫调控网络。近年的研究表明, 植物免疫相关基因的表达不仅受到转录调控, 其mRNA的稳定性、翻译效率和翻译产物也受到多种转录后调控机制的影响, 包括可变剪接、m⁶A修饰、小RNA、uORF和R-motif。该文概述了植物免疫系统的组成和主要的调控通路及其组分, 详述了转录后调控对植物免疫的影响及病原体对相关调控作用的干扰机制, 梳理了转录后调控元件在作物中的应用, 为保障粮食安全、提高作物抗病性以及分子育种元件筛选提供参考。

系统获得性抗性(SAR)是植物重要的防御机制, 可显著增强植株对病原微生物的抗性, 且具有系统性、持久性和广谱性特征, 其转录调控为抗性激活的核心环节。该文从水杨酸(SA)和Pip/NHP的合成, NPR1、NPR3/NPR4受体和Pip/NHP移动信号等的转录调控, 以及TGA和WRKY转录因子家族调控等方面综述了SAR的转录调控研究进展, 为深入理解植物免疫调控网络以及系统探究植物在复杂环境中平衡生长与防御的机制提供参考。

水稻(Oryza sativa)是世界上最重要的粮食作物之一, 其产量影响全球粮食安全。然而, 水稻的各种病害对粮食安全构成极大威胁。其中, 稻瘟病、白叶枯病和纹枯病是影响全球水稻生产的3种主要病害, 培育具有广谱抗病性的水稻品种迫在眉睫。近年来, 水稻抗病调控机制研究取得了突破性进展。该文从水稻自身免疫反应以及抗病相关基因功能等方面综述了水稻抗病调控机制, 提出今后需解决的问题, 以期为水稻广谱抗病育种提供参考。

SUMO化修饰是植物中重要的翻译后修饰, 通过介导底物蛋白的功能、免疫信号的激活与转导以及激素信号网络, 在植物免疫调控中发挥关键作用。该文从SUMO化修饰系统的酶联反应机制、SUMO化修饰参与植物免疫调控以及病原体效应蛋白对SUMO化系统的干扰等方面, 系统综述了SUMO化修饰在植物与病原互作中的功能最新研究进展, 旨在解析SUMO化介导的植物免疫调控网络, 为开发基于SUMO化修饰的作物抗病新策略提供参考。

水稻(Oryza sativa)细菌性条斑病(BLS)是由稻黄单胞菌稻生致病变种(Xoc)引起的一种重要检疫性病害。该病原菌兼具高度遗传多样性和强传播能力, 在种植集约化及气候变暖的双重驱动下, 在我国南方籼稻主产区持续扩散。该文从以下3个方面系统综述了Xoc-水稻互作机制研究进展。(1) 从病原层面解析了II型分泌系统(T2SS)、III型分泌系统(T3SS)及胞外多糖等关键毒性因子的致病机制, 揭示了致病小种的分化规律; (2) 从寄主层面阐明了PTI/ETI介导的抗病信号通路, 综述了抗病(R)基因克隆与感病(S)基因编辑研究进展; (3) 展望了未来的研究方向, 将致力于深度整合多组学技术系统解析Xoc致病信号网络, 依托泛基因组学规模化挖掘具持久广谱抗性的R基因, 创新构建S基因靶向编辑与植物免疫激活协同增效的绿色防控体系, 为BLS的可持续治理提供系统性解决方案。

植物细胞壁由纤维素、半纤维素、果胶和木质素等成分构成, 是一个动态变化的网络结构, 不仅在植物抵御外界压力和适应环境变化过程中发挥关键防线作用, 还在信号传递过程中作为信息枢纽。当细胞壁受损后, 细胞会感知细胞壁变化并做出早期免疫响应, 如激素变化、壁成分与修饰改变以及抗病次生代谢产物的生成。尽管细胞壁在植物免疫中的重要性已得到广泛认可, 但对于细胞壁损伤引发免疫反应的具体分子机制仍然知之甚少。原位非标记成像技术在植物细胞中的应用逐渐增多, 成为研究细胞壁结构与功能的重要手段。该文综述了植物细胞壁与免疫反应之间的相互作用机制研究进展, 为深入理解植物生命活动规律和提高作物病害抵抗能力提供科学依据; 同时介绍了细胞壁原位非标记成像技术, 为推进细胞壁在免疫反应中的作用研究提供更多技术选择。

解析植物抗病免疫机制是抗病作物育种和国家粮食安全保障的重要科学基础。光受体作为植物感知环境信号的核心组分, 不仅参与植物生长发育的精细调控, 还在植物与病原菌互作中发挥关键信号枢纽作用。现有研究表明, 植物光受体通过直接或间接的作用方式, 依赖COP1/SPA复合体、HY5和PIFs等一系列光信号调控元件, 通过调控植物抗性防御基因的时空表达以及防御激素的合成代谢等多层级途径, 实现光信号与模式触发免疫(PTI)和效应子触发免疫(ETI)信号的精密整合, 使植物在有限的资源下巧妙地协同生长与免疫的平衡。近年来, 光信号与植物免疫系统的交互作用已成为植物生物学的研究热点, 其交互机制的解析也为未来抗病作物育种提供了新方向。该文聚焦于光受体整合调控植物免疫信号的分子机制, 重点综述了光受体介导的免疫启动机制及其与免疫激素信号的时空动态整合模式, 展望了光遗传学技术在解析光信号与免疫信号交互作用机制中的应用潜力, 旨在为基于光信号调控元件的抗病作物分子设计育种提供全新的理论依据和技术路径。

由于人工驯化与现代育种操作, 普通小麦(Triticum aestivum)的遗传多样性日渐狭窄, 更容易受到病虫害威胁。通过远缘杂交将野生近缘种的抗病基因导入小麦, 有助于拓宽小麦的遗传基础, 为培育抗病品种提供新抗原。十倍体长穗偃麦草(Thinopyrum ponticum)是小麦遗传改良中应用最广泛的近缘物种之一, 对小麦锈病等多种病害表现出良好的抗性。利用远缘杂交和染色体工程, 创制了1份小麦-长穗偃麦草种质材料WTS135, 对叶锈菌(Puccinia triticina)生理小种THTT表现出免疫。系谱分析表明, 其叶锈病抗性来源于长穗偃麦草外源染色体。基因组原位杂交(GISH)-荧光原位杂交分析显示, 1对十倍体长穗偃麦草染色体替换了小麦7D染色体。液相芯片分析表明, 外源染色体属于第7部分同源群, 其近着丝粒区的信号密度及丰度明显较低, 与GISH分析结果互相佐证, 因此推测WTS135是1个7St (7D)的二体异代换系。分子标记检测显示, WTS135携带的抗病基因与已知的长穗偃麦草第7部分同源群抗叶锈病基因Lr19和Lr29不同, 推测有可能为1个抗叶锈病新基因。借助Specific-locus amplified fragment sequencing技术, 开发了10个长穗偃麦草特异引物, 用于快速追踪WTS135中的外源染色质。表型调查显示, WTS135的产量与轮回亲本济麦22无显著差异, 可直接用于小麦的抗病育种。

由大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)引起的黄萎病是棉花(Gossypium hirsutum)生产中最主要的威胁之一, 其可导致棉花大幅减产和纤维品质严重下降。前期对接种大丽轮枝菌的拟南芥(Arabidopsis thaliana)进行转录组分析, 表明DIR1类蛋白基因AT3G53980.2受病原菌强烈诱导表达。该研究发现, 棉花脂质转移蛋白编码基因GhDIR1 (Gh_A09G180700.1)与AT3G53980.2表现出高度的同源性。生物信息学分析表明, GhDIR1开放阅读框(ORF)为351 bp, 编码116个氨基酸残基。亚细胞定位结果显示GhDIR1定位于细胞膜。分析GhDIR1在大丽轮枝菌V991侵染后的表达模式, 发现其能快速响应大丽轮枝菌侵染。利用病毒诱导的基因沉默(VIGS)技术下调该基因表达后, 棉花对黄萎病菌的抗性显著降低。野生型和GhDIR1沉默植株转录组测序结果表明, 差异表达基因主要在类黄酮生物合成、倍半萜和三萜生物合成以及α-亚麻酸代谢3个途径富集; 同时, 荧光定量PCR结果表明, 3个途径中的6个关键基因(GhCHS、GhDFR、GhCAD、GhSEQ、GhLOX和GhAOC)在GhDIR1沉默植株中均下调表达, 与转录组数据一致。推测GhDIR1可能通过介导类黄酮和萜类化合物的合成途径, 并调节茉莉酸(JA)等植物激素的次级代谢来激活相关信号通路, 进而影响植株抗病性。综上, GhDIR1作为棉花抗黄萎病的正向调控因子, 通过参与多种激素和抗病信号网络调控植物的免疫反应。

水稻(Oryza sativa)白叶枯病是危害全球水稻生产的三大主要病害之一, 严重影响水稻的产量和品质。抗性基因的挖掘与利用是防治白叶枯病最有效的途径之一。为挖掘水稻白叶枯病抗性相关的数量性状位点(QTL), 以籼稻华占、粳稻热研2号及其构建的120个重组自交系(RILs)群体为实验材料, 在水稻分蘖盛期接种4种不同的白叶枯病致病小种并评价抗性表型。基于前期构建的高密度遗传图谱进行QTL定位, 共检测到19个QTLs, 其中最大LOD值为5.49。对检测到的QTL区间内候选基因进行筛选, 并利用qRT-PCR进行基因表达水平分析, 发现LOC_Os02g13270、LOC_Os02g13410、LOC_Os02g13420、LOC_Os02g13430和LOC_Os01g12130在双亲间的表达量差异显著, 且在接种白叶枯病菌后受诱导表达, 推测其为调控白叶枯病抗性的重点候选基因。研究结果为白叶枯病抗性相关基因的精细定位和克隆奠定了基础, 对于培育广谱抗病水稻品种有重要意义。

植物激素水杨酸(SA)促进植物的抗病性, 但抑制植物生长。植物通过动态调控SA的含量以平衡抗病与生长。高效液相色谱-荧光检测器技术是检测SA含量最常用的方法。该研究优化了流动相的成分、离子浓度、pH值以及检测波长和检测程序。优化后的流动相为10%乙腈、100 mmol∙L^-1乙酸钠、pH5.2。优化后的激发光波长为300 nm, 发射光波长为405 nm。优化后的检测程序为: 进样后3.5分钟开始清洗色谱柱, 清洗时间为3.5分钟, 平衡时间为3分钟, 总时长为10分钟。优化后的检测方法显著提高了检测灵敏性、稳定性和高效性。