作者:丁佳 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2019/4/5 8:58:34
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植物里有个“自杀小队”

五聚抗病小体结构。分别显示顶部(左)和侧面(右)视图。中科院遗传发育所供图

人有免疫力,植物有免疫力吗?答案是肯定的,看似娇弱的花花草草,可能远比你想象中来得坚强。

植物具有复杂、精细调控的免疫系统,可植物抗病蛋白被发现至今已经20多年了,人们却仍然不清楚它们的工作原理。

这一谜题在4月5日得以揭开。中国科学院遗传与发育生物学研究所与清华大学的研究团队合作,在植物体内发现了由抗病蛋白组成的抗病小体并解析其电镜结构,揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子机制。相关成果在《科学(Science)》杂志上在线发表。

农药困境

中国是一个农业大国,但人多地少的现状,让中国成为农业病虫害最为严重的国家之一。有统计数字表明,为了控制病害,中国农药施用量占到了全球总量的三分之一,带来了严重的生态环境和食品安全问题。

这也愁煞了中国的育种学家。南京农业大学植物保护学院院长王源超坦言,中国的育种学家“一直在拼命地育种,但新品种用个三五年,抗性就消失了,似乎总也追不上病原菌的变异速度”。

在中科院遗传发育所研究员周俭民看来,要减少农药的使用,提高植物自身的免疫力,可能才是最关键的那把“钥匙”。

这让科学家将目光聚焦在植物细胞中存在的数目众多的抗病蛋白上。抗病蛋白既是监控病虫侵害的“哨兵”,也是动员植物防卫系统的“指挥官”。

从2004年起,周俭民与清华大学教授柴继杰团队合作,开始研究植物与病菌“攻防战”中的关键科学问题,并首次在世界上提出了“诱饵模型”的观点。

“我们认为,植物的抗病蛋白就像一个老鼠夹子,诱饵蛋白就像夹子上的奶酪,当‘老鼠’闻着奶酪味过来时,夹子就会一下子把它抓住。”周俭民说

然而,由于该理论与当时的主流观点大相径庭,大约有5年时间,这一观点并没有被学界广泛接受。周俭民说,那时候,甚至连“学生发论文都受到了影响”。

谁发出了“自杀”指令?

周俭民团队没有放弃。在中科院战略性先导科技专项的支持下,他和同事持续收集新的证据,他们愈发相信,植物和病原细菌之间存在着令人惊叹的攻防策略。

在另一条路上,清华大学团队也在不断向前推进。抗病蛋白理论研究的一个巨大瓶颈在于缺乏蛋白质结构,20多年来,多个国际顶尖实验室均折戟于此。

这恰恰正是柴继杰团队的主攻方向,他们曾在动物炎症小体结构研究中取得突破,这种蛋白与植物抗病蛋白有诸多相似性;清华大学教授王宏伟团队则长期致力于冷冻电镜方法学的研究,为抗病蛋白结构解析提供了强有力的技术支撑。

强强联合之下,谜团终于揭开。

研究团队发现,拟南芥的抗病蛋白感知到病菌后,会组装成一个环状的五聚体蛋白“机器”,形成抗病小体。抗病小体的中间有个“钻头”,它能够“刺破”染病的细胞膜,以“自杀”的方式与病菌“同归于尽”。也就是说,抗病小体很可能是植物细胞死亡和免疫的执行者。

“我们还发现,植物抗病小体的组装方式、结构与功能,与动物免疫中的炎症小体惊人地相似,这展现了在不同生命形式中,进化对免疫形成的力量。”周俭民说。

“钻石”何时发光?

中国学者的这一发现,填补了25年来人们对抗病蛋白认知的空白。英国皇家学会会士、欧洲科学院院士Sophien Kamoun认为,中国学者提出的“自杀开关”模型非常新,会给植物免疫领域带来很多启示。

中科院院士康乐则形容抗病小体的结构“非常漂亮,就像一枚钻石组成的首饰。这说明在进化的作用下,生物一定是简约、美丽的”。

当然,更多人关心的还是这项成果能否应用于农业生产。因为利用抗病蛋白发展新的病虫害防控手段,毫无疑问将大大减少化学农药的施用。而抗病蛋白高分辨度结构和作用机制的解析,也将为设计抗广谱、持久的新型抗病蛋白,发展绿色农业奠定核心的理论基础。

在中科院院士、中科院遗传发育所研究员李家洋看来,在国际上率先提出、发现抗病小体,是中国学者对植物科学的重大贡献。“未来通过分子设计育种等手段,相信这项成果也将为农业生产带来广阔的应用前景。”

抗病小体这块“钻石”何时才能发光,也许科学家们还无法给出一个确切的答案。但至少,未来可期。

论文信息:

DOI: 10.1126/science.aav5868

DOI: 10.1126/science.aav5870

 

 
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