喜讯 华安客户Science发文 首次揭示IPA1既能增产又能提高稻瘟病抗性分子作用机制

2018年9月7日，Science杂志在线发表了题为“A single transcription factor promotes both yield and immunity in rice”的研究论文，报道了在水稻产量与抗病协同调控机制研究中的最新进展。该研究发现了水稻理想株型建成的关键基因IPA1在水稻稻瘟病抗病过程中的作用，并揭示了IPA1既能提高产量又能提高水稻对稻瘟病的抗性的调控新机制。

该论文的通讯作者是四川农业大学陈学伟研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士和四川农业大学王静副研究员。论文的第一完成单位是四川农业大学。

陈学伟研究员由于在水稻抗病领域的突出成就入围选2018年国家杰青建议资助名单。

作物病害严重影响作物生长，造成产量损失，并威胁粮食安全。抗病性强的作物品种可以有效的控制病害，然而高抗性经常以“牺牲”产量为代价。因此，培育既抗病又高产的品种对于保障粮食作物安全生产具有重要意义。

水稻株型是决定水稻产量的主要因素之一，塑造水稻理想株型是提高水稻产量的重要途径。IPA1（Ideal Plant Architecture 1）是调控水稻理想株型形成的主效基因，其功能获得性突变体具有无效分蘖少、茎秆粗壮抗倒伏、穗大粒多产量高等优良农艺性状。

传统观点认为，植物抗病与产量之间存在此消彼长的关系，最近在理想株型水稻高产与抗病协同调控机制的研究中取得突破性进展，揭示IPA1既能提高水稻产量又能增强对稻瘟病抗性的调控新机制。研究发现IPA1的磷酸化修饰是平衡产量与抗性的关键调节枢纽。该研究首次发现IPA1是同时增加作物产量并提高抗性的单个基因，打破了单个基因不可能同时实现增产和抗病的传统观点，为高产高抗育种提供了重要理论基础和实际应用新途径。

相关背景

植物免疫通常会影响生长和产量。 转录因子IPA1（Ideal Plant Architecture 1）减少了非生产性分蘖并增加了每穗粒数，从而提高了水稻产量。 作者报告发现，更高的IPA1水平可以增强免疫力。从机制上讲，IPA1在其DNA结合结构域内的氨基酸Ser163上的磷酸化是响应稻瘟病菌感染而发生的，并且改变了IPA1的DNA结合特异性。磷酸化的IPA1与病原体防御基因WRKY45的启动子结合，激活其表达，从而增强抗病性。IPA1在感染后48小时内恢复到非磷酸化状态，恢复对高产量所需的生长的支持。因此，IPA1通过维持生长和免疫之间的平衡来促进产量和抗病性。 

籽粒产量取决于单株分蘖数、每穗粒数和粒重。水稻理想株型建成基因IPA1编码一个ScAMOSAS-启动子结合蛋白（SPL）转录因子，也被称为OsPLS14，它激活产量相关基因，包括密集和直立穗1（DEP1），导致植物较少非穗分蘖和每穗多谷粒，支持更高的产量。Theipa1-1D等位基因在miR156和miR529位点携带突变，通过miR156和miR529释放抑制，导致更高的IPA1 RNA和蛋白水平。尽管ipa1-1D植株已被证明在广泛的田间试验中产量提高了10％，但尚不清楚当植物面临病原体侵害时，提高的产量是否会持续存在。我们直接测试了受稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）侵害的ipa1-1D植物的产量， 利用两个水稻品种（R320和R441）培育的同源水稻品系，连续3年进行田间试验，结果表明，ipa1-1D植株 R320ipa1-1D和R441ipa1-1D在没有爆发病的正常田间条件下产量比对照组植株R320和R441高出10.1-13.3％，在高爆发病害压力下比对照植株分别高30.7-48.2％。而正常条件下10～13%的增产与先前报道是一致的。在稻瘟病胁迫下，ipa1-1D介导的产量增加幅度较大，由此可以表明IPA1也可以提高稻瘟病菌的抗性。

研究方法

为了验证这个假设，作者团队培育了IPA1过表达(IPA1-GFP)]株系和RNA干扰的IPA1低表达株系。在离体的叶片和喷雾接种的植物中，IPA1过表达株系对稻瘟病菌的抗性增强，IPA1 RNAi株系对稻瘟病菌的多重分离物均表现出较高的敏感性。

由于IPA1 RNA和蛋白水平在稻瘟病菌感染时没有变化，因此团队研究了IPA1蛋白是否在稻瘟病侵染后的IPA1-1D植株中发生磷酸化。将磷酸化的IPA1蛋白与非磷酸化的IPA1蛋白在含有磷标记的凝胶中分离出来，并用IPA1多克隆抗体检测。磷酸化IPA1蛋白在感染后3小时开始积累，6-12hpi达到高峰，然后在48hpi内下降到接近正常水平。在不同的SPL蛋白之间存在一个保守的丝氨酸残基，并且已经表明它是SPL蛋白转录活性所必需的磷酸化位点。制备识别Ser163磷酸化位点的高特异性IPA1多克隆抗体，将S163改变成丙氨酸S163A，从而消除IPA1磷酸化的能力，通过ɑIPA1S163-P消除IPA1识别。

----------综上，作者研究发现一种单一蛋白IPA1同时提高产量和抗病性，并且揭示了它控制两种不同生物学过程的机制。作者提出了inipa1-1D植株中IPA1功能模型。 在没有病原体的情况下，IPA1的S163位点未被磷酸化，它结合并激活DEP1启动子，促进植物生长和产量。在受病原体侵染时，IPA1的S163位点磷酸化。磷酸化的IPA1 DNA结合特异性改变，在WRKY45启动子中切换到与TGGGCC位点结合，并激活WRKY45的表达，从而增强对稻瘟病菌的免疫力。因为IPA1的组成型磷酸化会降低产量，所以IPA1回到非磷酸化状态，在48hpi内激活用于生长和高产的基因。在没有病原体的情况下，IPA1的诱导磷酸化促进植物生长，在病原体侵染时提高免疫。野生型植株对IPA1的磷酸化模式与ipa1-1D植株相同，但幅度较低。由于ipa1-1D植物携带较高水平的非磷酸化IPA1用于产量，而在病原体侵染时携带较高水平的磷酸化IPA1蛋白，因此ipa1-1D植株具有提高谷物产量和免疫力的作用。

文章中用到的IPA1 磷酸化抗体由华安生物定制生产，该抗体能特异性识别磷酸化的IPA1蛋白。

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迄今为止，公司已累计完成超过 3000个定制科研抗体项目，为工业级客户开发IVD诊断用肿瘤标志物系列抗体原料和食品安全检测相关抗体几十余种，为制药公司提供包括PD1和PD-L1热门靶点在内的早期抗体药物筛选十余种。 

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