Nature | 重磅！何胜洋团队研究揭示如何增强植物免疫以应对气候变暖的影响！

当热浪袭来时，它们不仅给人们带来损失，我们赖以生存的植物也受到影响。这是因为当温度过高时，某些植物的防御系统不能正常工作，使它们更容易受到病原体和虫害的攻击。科研人员几十年来一直知道，高于正常温度会抑制植物制造防御激素水杨酸的能力，这种激素会启动植物的免疫系统，在入侵者造成太大损害之前阻止它们。但是这种免疫力崩溃的分子基础并不为人所知。

2022年6月29日，国际顶级学术期刊Nature发表了美国杜克大学何胜洋（近5年30篇高水平文章！美国杜克大学何胜洋院士团队在植物微生物互作领域取得重大进展！PNAS | 杜克大学何胜洋团队研究揭示“非致病”微生物如何与植物相互作用！Nature Protocols | 密歇根州立大学何胜阳/Tiedje团队建立拟南芥微生物组研究的标准化生长体系！PLOS PATHOGENS | 密歇根州立大学何胜阳团队系统解读植物界的微生物群落稳态！）团队的最新相关研究成果，题为Increasing the resilience of plant immunity to a warming climate的研究论文。这篇论文中已经确定了植物细胞中的一种特定蛋白质，解释了为什么免疫力会随着温度的上升而减弱。科研人员还想出了一种方法来扭转这种损失并加强植物对热的防御。如果同样的结果在农作物上也能成立，这对变暖的世界中的粮食安全来说将是一个好消息。

此前研究发现即使是短暂的热浪也会对拟南芥植物的激素防御系统产生巨大影响，使它们更容易受到丁香假单胞菌的感染。通常，当这种病原体攻击时，植物叶片中的水杨酸水平会上升7倍，以防止细菌扩散。但是当温度上升到30度以上仅两天时，植物就不能再制造足够的防御激素来阻止感染。植物在温暖的温度下会受到更多的感染，因为它们的基础免疫水平下降了。所以科研人员想知道，植物是如何感受到热量的？而且能不能真正修复它，使植物具有抗热能力？植物细胞中被称为植物色素的分子具有内部温度计的功能，帮助植物感知春季较高的温度并激活生长和开花。因此，科研人员想知道：这些同样的热感应分子会不会是在变暖时击垮免疫系统的原因，并且是使其恢复的关键？

为了找出答案，研究人员采取了正常植株和突变体植株，这些植株的植物色素无论在什么温度下都是活跃的，让它们感染了丁香假单胞菌，并在不同温度的环境下生长，看看它们的表现如何。但是植物色素突变体的表现与正常植物完全一样：当温度上升时，它们仍然不能制造足够的水杨酸来抵御感染。科研人员用其他候选基因做了类似的实验，那些突变体植株在暖流中也会生病。因此他们尝试了一种不同的策略。利用下一代测序技术，他们比较了受感染的拟南芥植株在正常和升高的温度下的基因读数。结果发现，许多在高温下被抑制的基因是由同一个分子调节的，一个叫做CBP60g的基因。

图1：CBP60g基因表达和SA转录组的温度脆弱性

图2：温度升高抑制CBP60g启动子的活性

CBP60g基因就像一个控制其他基因的总开关，因此任何下调或"关闭"CBP60g的行为都意味着许多其他基因也被关闭了，它们不制造使植物细胞能够积累水杨酸的蛋白质。进一步的实验显示，当温度过高时，开始读取CBP60g基因中的遗传指令所需的细胞机器不能正常组装，这就是为什么植物的免疫系统不能再发挥其作用。研究结果能够表明，CBP60g基因持续"开启"的突变体拟南芥植株能够保持其防御激素水平，即使在热应激下也能阻止细菌。接下来，研究人员找到了一种方法来设计抗热植株，这些植株只有在受到攻击时才会打开CBP60g主开关，而且不会使其生长受阻，如果这些发现能够帮助保护植物防御系统而不对作物产量产生负面影响，这一点就非常关键。这些发现对于因气候变化而变得不安全的粮食供应来说可能是个好消息。

图3：35S::CBP60g植物在高温下的SA积累和免疫力的恢复

图4：优化的CBP60g表达导致了耐温的SA防御，而没有生长或发育的权衡

全球变暖正在使热浪更加严重，削弱了植物的自然防御能力。但是，全世界每年已经有高达40%的粮食作物因病虫害而损失，使全球经济损失约3000亿美元。同时，人口的增长正在推动世界对食物的需求增加。为了养活预计到2050年地球上的100亿人，预测表明，粮食生产将需要增加60%。当涉及到未来的粮食安全时，真正的考验将是保护拟南芥植物免疫力的策略是否也适用于农作物。科研人员发现，温度升高不仅损害了拟南芥植株的水杨酸防御系统，它对番茄、油菜籽和水稻等作物植物也有类似的影响。到目前为止，在油菜籽中恢复CBP60g基因活性的后续实验显示出同样有希望的结果。事实上，具有类似DNA序列的基因在各种植株中都有发现。在拟南芥中，让CPB60g主开关不感到热，不仅恢复了参与制造水杨酸的基因，而且也保护了其他与防御有关的基因，使其免受更高温度的影响。这就能够使整个植物免疫系统在温暖的温度下更加强大。

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