研究方向

植物与环境互作的分子机制

建立植物识别病原菌/共生菌的信号转导途径,解析植物-病原菌/共生菌/昆虫互作及植物防御反应的调控机制,揭示物种间互作的基因对基因策略与互作应答调控的分子机理。聚焦植物生长过程中的光、温、水、肥等非生物胁迫以及主要作物病害等生物胁迫,研究植物对胁迫信号的感知、信号传导机理,解析植物应答环境胁迫与植物生长发育的交叉调控机制。

重要成果

水稻广谱抗病与产量平衡的表观调控新机制
实验室何祖华团队与育种家合作,从2002开始,广泛筛选抗瘟种质,从起源于我国农家品种的育种材料中鉴定了一个广谱持久抗瘟性新位点Pigm。采用分子遗传学,分子生物学,生物化学及细胞生物学的手段系统地解析了这个新位点的持久抗病机制。研究发现,Pigm是一个包含多个NBS-LRR类抗病基因的基因簇。其中只有2个具有功能的蛋白PigmR和PigmS。PigmR在水稻的叶、茎秆、穗等器官组成型的表达,可以自身互作形成同源二聚体,发挥广谱抗病功能,但PigmR导致水稻千粒重降低,产量下降。与PigmR相反,PigmS受到表观遗传的调控,仅在水稻的花粉中特异高表达,在叶片、茎秆等病原菌侵染的组织部位表达量很低,但可以提高水稻的结实率,抵消PigmR对产量的影响。PigmS可以与PigmR竞争形成异源二聚体抑制PigmR介导的广谱抗病性。但由于PigmS低水平的表达,为病原菌提供了一个“避难所”,病原菌的进化选择压力变小,减缓了病原菌对PigmR的致病性进化,因此Pigm介导的抗病具有持久性。利用Pigm改良选育的品种既有广谱持久抗病性又不影响最终的产量。这个基因已经被国内30多家种子公司和育种单位应用于水稻抗病分子育种,已经有新品种参加区试和品种审定。该研究不仅在理论上扩展了植物免疫与抗病性机制的认识,也为作物抗病育种提供了有效的新工具。相关研究成果于2017年发表在Science期刊。

植物-微生物共生的分子机制
菌根共生是植物与菌根真菌建立的互惠互利的同盟,也是自然界最为广泛的共生形式。植物可通过与菌根真菌共生高效率的从土壤中获得磷和氮等营养;同时植物把20%左右的光合作用产物传递给菌根真菌供其生长。每年大约有50亿吨的光合作用产物通过菌根真菌被固定在土壤中,对整个生态系统的碳氮平衡具有重要的作用。传统理论认为糖是植物为菌根真菌提供碳源营养的主要形式。实验室王二涛团队通过稳定同位素标定实验,首次否定了糖是植物传递给菌根真菌主要碳源形式。同时,研究者采用遗传学,分子生物学及代谢生物学的手段研究发现,植物宿主的脂肪酸合成对于丛枝菌根真菌共生是必须的,并且植物合成的脂肪酸能够直接传递给菌根真菌。进一步的研究发现植物基因合成的一类特殊脂肪酸分子,被植物的转运蛋白转运给菌根真菌。该研究系统揭示了脂肪酸是光合作用碳源的主要传递形式,推翻了传统认识,对于理解生态系统的碳氮循环具有重要的意义。同时研究还发现,在植物病原真菌相互作用中,病原真菌和寄主植物争夺脂肪酸作为其生长的碳源,进而侵染植物,造成作物的减产。通过降低植物病原真菌相互作用中脂肪酸的转运,能够有效的抑制病原真菌的致病性。该机理的揭示有助于将来选育抗真菌病害作物。相关研究成果于2017年发表在Science期刊。

“水稻重要生理性状的调控机理与分子育种应用基础”获2014年度国家自然科学二等奖
项目主要完成人:何祖华、王二涛、王建军、张迎迎、邓一文。
该研究揭示了水稻籽粒灌浆复杂生理性状的调控与驯化机制,为促进禾本科作物籽粒灌浆、提高产量潜力奠定了基础;阐明了水稻节间伸长调控的生理与分子机制,建立了一个GA代谢与性状调控新通路;系统开展水稻抗病生理与分子机制研究,在广谱抗病基因发掘上有重要突破,促进了水稻分子育种理论与技术的研究和应用。相关研究论文发表在Nature Genetics、Plant Cell等杂志上,被Nature系列、Annual Review系列等广泛引用和评价,被Faculty of 1000 Biology推荐,并被专家评为"of special interest"等。获得4个发明专利授权、2项国际PCT。广谱抗病基因Pigm被近30家单位(包括东北稻区)用于抗病分子辅助育种,有关消除不育系包颈的理论也被多家单位采纳并独立应用于育种。利用RIM2专利,与合作单位开发水稻分子育种技术,培育并通过审定4个新组合,其中浙优系列在浙江省大面积推广应用,取得显著的经济与社会效益。

Nature Genetics, 2008
Plant Cell, 2006
带广谱抗瘟基因Pigm品系(右)与对照亲本(左)在自然病圃的发病情况

返回