粒粒皆辛苦：盘点近期水稻研究成果

10 月 28, 2022

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金秋十月，正是农作物收获的季节。农业是我国的第一产业，近年来国家对农业和植物领域的科研投入持续加大，加速了我国在农业和植物领域的科研水平提高。据植物学报发表的评述文章¹，2021年，中国科学家在5种植物科学主流期刊（Molecular Plant、Nature Plants、The Plant Cell、Plant Physiology、The Plant Journal）的发文量与美国，德国，英国，法国相较占比高达44.2% ，位居第一。中国农业科学家总发文章数已跃居全球第一，我国是名副其实的世界第一农业大国。

水稻作为我国主要的粮食作物，一直备受农业和植物科学家们关注。从遗传育种到分子机制，生物分子相互作用的分析始终扮演着重要角色。众多农作物与植物表观或遗传现象的发生过程与个体差异其实质都由生物分子相互作用决定，而基于Biacore的互作数据能够帮助科学家更加深入、全面地，从不同维度揭示农作物与植物研究中的分子机制。

植物激素新受体发现

植物激素对于植物的生长发育、新陈代谢和繁衍生息等各种生命活动起重要调节作用；阐明植物激素的受体识别机制，对于揭示生命现象的本质、提高生物的生存和发展能力具有重要意义。茉莉酸(jasmonic acid, JA)在植物防御与发育过程中都发挥了重要作用，但其直接结合的受体之前尚未被报道。激素受体的发现与验证，首先要证明植物激素与其受体发生相互作用/结合。

清华大学谢道昕团队在Plant Cell²和Molecular Plant³分别报道了拟南芥和水稻中植物激素茉莉酸的受体COI1蛋白。该研究利用Biacore发现，茉莉酸直接与COI1结合（图1），从而证明了COI1是茉莉酸受体，随后与JAZ阻遏物形成复合体，从而通过26S蛋白酶体途径以COI1依赖的方式诱导JAZ降解。

图1 Biacore助力茉莉酸受体的发现

常见的这些植物激素的分子量通常小于300Da，对检测仪器的灵敏度和分辨率要求较高，而Biacore依赖其超高的检测灵敏度，对有机分子无分子量检测下限，轻松应对植物激素（小分子化合物）与其受体互作的检测。

生长—低温胁迫的动态调节

耐寒是我们北方地区种植水稻必需的种质，探明植物在低温胁迫下调节生长发育与胁迫应答间动态平衡的分子机制至关重要。中科院植物所种康院士实验室在New Phytologist发表文章，通过Biacore发现，转录因子在不同温度条件下，结合不同的基因表达，从而达到平衡生长与抗逆的关系⁵。团队发现水稻MADS-box家族转录因子OsMADS57协同其互作蛋白OsTB1，参与调控水稻的低温耐受性。进一步研究发现OsMADS57和OsTB1对低温的调控依赖于其共同靶基因OsWRKY94。

图2 Biacore检测低温对基因转录的影响

常温条件下，OsMADS57与OsTB1互作，通过抑制独脚金内酯受体基因D14的转录，进而促进水稻侧芽的分化及分蘖的形成；而在低温时，OsMADS57与OsTB1通过直接调控OsWRKY94，激活OsWRKY94 的转录，启动防御反应。OsMADS57作为调控水稻侧芽发育和低温耐受性的分子开关，平衡水稻的生长发育和胁迫响应的分子调控网络，影响植物对低温环境的适应性。该研究将加深人们对植物如何调节生长发育以适应多变外界环境的认识，并对水稻品种改良和分子育种具有重要意义。

种子内生菌建立水稻抗病防线

植物对病原菌的抵抗除了自身的免疫外，也包括微生物群落。浙江大学与奥地利格拉茨理工大学的团队合作发表在Nature Plants的文章，使用Biacore揭示了水稻内生菌塑造水稻抗病功能的分子机制⁵。

团队通过对细菌性穗枯病菌Bp敏感型或抗性种子内皮中微生物组的分析，首先确定了与Bp抗性直接相关的瓜类鞘氨醇单胞菌S. ZJ26菌株。为了了解ZJ26为什么能帮助种子抗病，作者分析了S. ZJ26的培养物的组分和作用，通过质谱确定了其中起作用的因子氨茴酸AA（137Da），进而利用RNA测序分析AA对Bp毒力因子合成转录的影响，为了明确AA与毒力因子合成相关的RpoS的结合能力，作者利用Biacore将RpoS固定在CM7芯片上，AA或其同系化合物作为分析物流过芯片表面，测定不同类型AA与RpoS的结合能力，发现S. ZJ26产生的ortho-AA的结合能力最强（图3），揭示了S. ZJ26抑制致病菌毒力因子的合成，进而帮助水稻抗病过程中的关键一环。

图3 Biacore检测RNA聚合酶因子RpoS与小分子AA的亲和力

定向改造帮助植物识别新的病原体效应蛋白

NLR（nucleotide-binding and leucine-rich repeat domain proteins）蛋白是植物免疫中病原因子的感应蛋白，包含一个或多个整合结构域ID（integrated domain），其中一些ID已证实与效应蛋白的特异性识别有关。

法国国家农业食品与环境研究院研究团队在Nature communication发表的文章中，通过改造NLR的ID，赋予了植物新的病原体效应因子识别能力⁶。水稻中，NLR蛋白对RGA5/RGA4可识别分泌AVR1-CO39或AVR-Pia效应蛋白的细菌；而Pikp-1/Pikp-2蛋白对可识别表达AVR-PikD效应蛋白的细菌。通过序列比对和结构分析，作者对RGA5的ID结构域HMA（heavy metal-associated）进行突变，希望赋予RGA5识别AVR-PikD的能力。

为了验证改造是否有效，作者使用Biacore ，基于CM5芯片自制Anti-MBP芯片，捕获MBP-HMA，效应因子以单浓度流过芯片表面，检测改造前后受体蛋白与效应因子的结合能力。Biacore结果发现，改造后的RGA5-HMA仍然保留结合AVR1-CO39和AVR-Pia的能力，并且改造后的HMA-m1和HMA-m1m2同时获得了结合AVR-PiKD的能力，为HMA识别新的效应因子提供了直接证据（图4）。

图4 Biacore发现改造后的RGA5-HMA可以结合新的效应因子

除了抗病菌，Biacore在水稻抗病虫的研究中也有广泛应用，如2020年袁隆平院士与万建民院士合作发现水稻抗褐飞虱新途径。

谁知盘中餐，粒粒粮食都凝结了阳光、雨露和农民的汗水，而这一篇篇Biacore助力的科研成果同样倾注了科研工作者的辛劳。通过这几个应用汇总不难看出，Biacore作为分子互作的金标准，轻松应对蛋白，小分子，核酸，脂质等各种生物样品，深受广大农业和植物科学家的信赖，小编近期也将推出Biacore在植物和农业的应用文章合集，敬请期待！

参考文献：
1. 陈凡, 等. 2021年中国植物科学重要研究进展. 植物学报, 2022, 57(2): 139-152.

2. Yan J, et al. The Arabidopsis CORONATINE INSENSITIVE1 protein Is a jasmonate receptor. The Plant Cell. 2009; 21: 2220–2236.

3. Yan J, et al. Dynamic perception of jasmonates by the F-Box protein COI1. Molecular Plant. 2018;11(10):1237-1247.

4. Chen L, et al. OsMADS57 together with OsTB1 coordinates transcription of its target OsWRKY94 and D14 to switch its organogenesis to defense for cold adaptation in rice. New Phytologist (2018) 218: 219–231

5. Matsumoto H, et al. Bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice. Nature Plants, 2021, 7.

6. Stella C, et al. New recognition specificity in a plant immune receptor by molecular engineering of its integrated domain. Nature Communications, 2022, 13 : 1524

7. He J, et al. An R2R3 MYB transcription factor confers brown planthopper resistance by regulating the phenylalanine ammonia-lyase pathway in rice. Proc Natl Acad Sci U S A. 2020 Jan 7;117(1):271-277.