讓世界研究25年的植物秘密 被中國科學家破解
2019年04月06日17:40

原標題:讓世界研究25年的植物秘密 被中國科學家破解

新京報訊(記者 李玉坤)今天,清華大學和中科院合作團隊在國際權威學術期刊Science《科學》連發兩篇長文,揭示了植物抗病蛋白管控和激活的核心分子機製。這一成果,讓世界等了25年。

中國科學家發現的“抗病小體”結構,像一個五角星。圖源:清華大學柴繼傑團隊提供

清華教授潛心研究15年

記者瞭解到,兩篇論文來自於清華大學柴繼傑團隊、中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民團隊以及清華大學王宏偉團隊最近的聯合研究,他們在植物免疫研究領域取得了曆史性的重大突破。

兩篇文章的研究成果是通過對不同狀態復合物的結構和功能解析,闡明了抗病蛋白由抑製狀態,經過中間狀態,最終形成抗病小體的生化過程,合作團隊緊密結合結構、生化和功能研究,揭示了抗病小體工作機製。比如,抗病小體形成後直接在細胞質膜上發出自殺指令,很可能是植物細胞死亡和免疫執行者。這項工作填補了人們25年來對抗病蛋白認知的巨大空白,為研究其它抗病蛋白提供了範本。

自從25年前國際上首次鑒定到抗病蛋白以來,多個國際頂尖實驗室均未能純化出可供結構分析的全長抗病蛋白質。柴繼傑團隊自2004年成立以來,便開始在數量眾多的植物抗病蛋白中進行理想研究對象的繁重篩選工作。

國外同行:從未有過的全新模型

“抗病小體”這一概念可能令很多人不解,並且查不到任何資料,因為這個概念也是這三個中國科研團隊提出來的,是此次研究的核心成果。通俗來講,他們發現的“抗病小體”是一個五聚體蛋白“機器”,是植物抗病蛋白的激活復合物。據悉,“抗病小體”的結構非常漂亮,是一個五角星結構。

柴繼傑說,他們的論文發表之前,出現了一個小小的BUG。別人的實驗材料都是論文發表之後才露出,他們的材料在發表前十天,就在國外平台上流出,結果被國外科學家“爆評”。

英國皇家學會會士、歐洲科學院院士Prof. Sophien Kamoun稱讚,“這真是一個令人震驚和漂亮的結構。更讓人振奮的是,他們提出了一個我們領域從未有過的全新模型,給植物免疫領域帶來很多啟示。 我們的夢想是從頭設計抗病蛋白 ,這項成果在實現從頭設計抗病蛋白的道路上邁出了的一大步,能更好地服務農業”。

植物也有免疫系統

很多人知道人和動物有免疫系統,但是對植物免疫系統可能頭一次聽說。植物作為自然界中最廣泛存在的初級能量來源,是蘊含豐富水分和有機營養物質的載體,毋庸置疑會成為很多病原微生物和害蟲所覬覦的目標。在長期對抗病原生物的過程中,植物進化出了複雜高效的兩層免疫系統,用於識別各種病原微生物、激活防衛反應,從而保護自己免受侵害。

“植物的第一道防線位於細胞表面,第二道防線位於細胞內,由抗病蛋白髮揮作用,這些抗病蛋白快速、有效,是植物免疫的關鍵。”柴繼傑介紹,植物的免疫系統和動物免疫系統的區別是,植物都是先天性免疫,沒有獲得性免疫。

清華大學副校長薛其坤院士介紹,處於兩層免疫系統的核心是植物細胞內數目眾多的抗病蛋白,它們既是監控病蟲侵害的哨兵,也是植物動員高效防衛系統的指揮官。抗病蛋白被發現及在植物育種中大量應用已有二十多年,但人們對其發揮作用的分子機製仍不清楚。

植物“抗病小體”將大幅減少農藥施用

1845年到1852年,由馬鈴薯晚疫病引發的愛爾蘭大饑荒,直接造成愛爾蘭100萬人死亡,165萬人逃荒至北美。糧食作物的病害一直是糧食生產需要解決的問題,農藥是此前主要依賴的方式。中國農業科學院植物保護研究所所長周雪平說,水稻上常見的病蟲害有3000種。尤其在中國的病害發生的更嚴重,中國人多地少,中國人喜歡吃蔬菜,南方的蔬菜一年要種十幾期。國外人吃蔬菜少,地多人少可以休種或者輪種,這在中國很難做到。“我們不可能做到休種,這就造成了我們國家的病害特別多。在耕地方面,我們用的農藥可能是別人的幾倍,原因就在於咱們的病害確實多。”

柴繼傑也表示,中國農藥施用量占世界總量1/3,世界第一。農藥的使用帶來了很多問題,現在人們越來越多選擇有機食品,如何解決這一問題?柴繼傑說,解決這一問題的關鍵就存在於植物細胞中——植物細胞內數目眾多的抗病蛋白。這些蛋白髮現病菌後,迅速啟動植物防衛反應,殺死病菌,從而保護植物免受侵害。

據介紹,利用抗病蛋白,設計新型抗病蟲育種,將大大減少化學農藥的施用。抗病蛋白高分辨度結構和作用機製的解析,將為設計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白,發展綠色農業奠定核心理論基礎。

柴繼傑說,他們做的是基礎研究,研究的意義是使設計出新的抗病蛋白成為可能。周雪平表示,這項成果至少有三方面的運用前景。首先可以人為設計新的抗菌基因。“很多病蟲害現在沒有抗菌基因,至少現在沒有找到。比如,水稻上的一些病毒就沒有抗菌基因,有些則不知道機製。現在機製知道以後,我們就有可能人為地設計這樣一個抗菌基因。”周雪平說。

據瞭解,抗菌基因啟動,基因表達多了以後,對植物生長是不利的。因為這種抗病蛋白的免疫是自殺免疫,即使植物沒有被殺死,對產量也會產生影響。“所以瞭解清楚機製以後,我們可以精準地用它抗病毒。”周雪平說。此外,病原體變異很快,變異之後,抗毒基因就不起作用了。“這項成果使延長抗病基因的使用成為可能。我們也希望加強和清華大學合作,加快抗病基因利用方面。”周雪平介紹。

植物常見的病害。圖源:清華大學柴繼傑團隊提供

對話

柴繼傑:最大難點是對3個基因進行重組

新京報:這項研究最大的難點在哪?

柴繼傑:難點是3個基因的重組,這個過程聽起來比較簡單,實際上我們花了非常多的時間來優化和篩選不同的抗病基因。我們把這些基因重合在一起,並沒有得到想要的結果。這個又讓我們糾結相當長的一段時間。曾經有一段時間,我自己都沒有信心。但後來發現,我加了一個小分子dATP,這個靈感來自另一個研究,結果就得到了想要的結果。

新京報:聽說你自從2004年以來就從事這方面的研究,到今年已經有15年了,有數十位博士研究生參加這個項目,你有沒有比較難忘的時刻?

柴繼傑:作為一名科研人,成果能夠發表被大家認可,是比較開心的時刻。實驗結果不好的肯定不開心,結果被人家搶先發表也會不開心。可能80歲的時候想想,開心是在這個過程當中,而不是一個結果。

新京報:你做科研的動力是什麼?

柴繼傑:動力就是對問題感興趣。我強烈地對這個蛋白感興趣。我就是想知道,這個蛋白如何工作,從生物學來講是什麼機製?我就是想知道這個答案,這是我最大的動力。

新京報記者 李玉坤 編輯 樊一婧

校對 王心

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