植物免疫系統研究取得重大突破
2019年04月07日17:44

原標題:植物免疫系統研究取得重大突破

《科學》刊文詳細介紹清華大學與中科院聯合科研成果

植物免疫系統研究取得重大突破

■本報首席記者許琦敏

紮根大地,遭遇病蟲害侵襲只能硬扛的植物,體內究竟擁有怎樣的免疫系統,才能發展到今天這般品類繁盛?美國《科學》雜誌日前刊發兩篇長文詳細介紹清華大學柴繼傑團隊、王宏偉團隊,以及中國科學院遺傳與發育生物研究所周儉民團隊共同合作所取得的重磅發現:科學家首次看到了植物免疫系統中的重要力量——抗病小體的清晰模樣。

這項研究成果的預印本一上網,就受到了國際同行的讚譽。英國皇家學會會士、歐洲分子生物學組織委員索希恩·卡蒙(Sophien Kamoun)教授表示:“這個研究成果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了很多啟示。”他認為,這項成果不僅為人類認識植物的免疫系統打開了一扇大門,在未來也能對農業起到極大的推動作用。

15年,數十位博士生“海選”目標

“病蟲害每年都會給我國糧食生產造成大量損失,而這個成果攻克了植物抗病領域的重大難題!”中國科學院院士、中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員李家洋語氣中難抑興奮之情。中國農業科學院植物保護研究所所長周雪平教授也表示,希望該成果能從根源上讓植物提高抗病能力,大量減少中國乃至全世界農藥的使用量。

25年前,國際上首次發現了植物中的抗病蛋白,人類也首次認識到了植物生命體中的“二重防禦”體系:第一道防線在細胞表面,通過識別病原體的共通特徵,拉響免疫警報;第二道防線在細胞內,有的病原體能矇混過第一道防線,將毒性蛋白注入植物細胞,此時細胞內的抗病蛋白會針對性地識別,一邊剿滅“入侵者”,一邊下令被“攻陷”的細胞“自殺”,保證植物體的健康。

然而,抗病蛋白們究竟如何被激活並執行任務的?很多國際頂尖實驗室想有所突破卻一直未果。

“在植物體內,抗病蛋白種類很多,比如小麥、水稻都有400多個。”清華大學生命科學學院教授柴繼傑介紹,這些蛋白個頭巨大、結構複雜,平時在細胞里數量又很少,只有當自己負責的外敵入侵時,才會被多製造出來一些,因此想要得到純化樣品,並解析其三維結構,難上加難。

2004年柴繼傑從美國普林斯頓大學回國後,開始瞭解開謎團的努力。為了在浩如海洋的抗病蛋白中篩選理想的研究對象,先後有幾十位博士研究生為此付出了辛勤勞動。直到2013年,抗病蛋白ZAR1才出現在柴繼傑的視線中。中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民研究員同樣付出了多年心血,他發現ZAR1可通過“誘餌”激活,通俗來說,它可以被“誘騙”而大量表達,同時進入“戰鬥狀態”。於是,兩個課題組與清華大學生命科學學院專注冷凍電鏡結構解析的王宏偉教授課題組攜手,開始了攻破植物免疫世界謎題的征程。

堅持、積累和運氣,一個都不能少

“能有今天的突破,我認為最重要的是堅持。”柴繼傑說,曾經有一年多,他都沒去過問這個課題,那時候真的感到希望渺茫,似乎沒有出路了。

他們碰到了一個難題:ZAR1身上有個“插銷”ADP,當毒性病毒撥動這個“插銷”,ZAR1就會被激活。當時,兩篇論文的第一作者、柴繼傑的博士生王繼縱卻發現,這個“插銷”被拔下後,卻找不到讓它維持激活狀態的小分子。“很多時候,你和成功就隔著一層窗戶紙,卻不知道怎樣捅破。”柴繼傑沒有去催王繼縱,終於,一年多後,曙光出現了!他們終於發現了那個對的分子。“接下來的研究,可以說勢如破竹。”柴繼傑說,科研就是這樣,堅持、積累和運氣,一個都不能少。

其實,這十幾年的坎坷絕對不少。比如,要讓ZAR1在細胞體外激活,並組成形態複雜的“戰隊”,就必須將它在細胞里的那些“幫手”一一找到,並在體外配齊。又如,有些蛋白質的個頭非常小,如果沒有高超的冷凍電鏡成像技術和獨到的算法,同樣難以完美呈現ZAR1“戰隊”的形態。

經過不懈努力,三個科學家團隊夢寐以求多年的植物抗病蛋白真正的“戰鬥狀態”呈現在了他們的眼前——ZAR1被“誘餌”激活後,組裝成含三個亞基共15個蛋白的環狀五聚體蛋白機器,彷彿一艘五角星的太空飛船。這被科研團隊命名為“抗病小體”。

免疫策略,動植物有“共通的智慧”

當看到ZAR1組成的抗病小體時,柴繼傑不禁感歎大自然的造化:在適應環境的進化過程中,動植物竟然有著共通的智慧!

此前,科學家已經發現,動物體內的炎症小體,也是多個蛋白組合,因此一直猜想植物抗病蛋白或許也是這種工作模式。沒想到,還真猜對了!

柴繼傑告訴記者,儘管體內抗病蛋白數量眾多,但總有防不勝防的疾病來襲。抗病蛋白可以組合作戰,顯然就使其應對陌生病毒的本領強大了不少。

這一次,三個團隊緊密合作,揭示了抗病小體的工作機製。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。該項工作填補了人們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。

“當我們搞清楚了抗病蛋白的工作機理,就能針對不同病毒,設計出抗病蛋白,讓農作物更方便地獲得某種抗病性。”柴繼傑說,這不僅可能讓育種更迅速,也可能大幅減少農藥用量,減少對環境的影響。李家洋表示,希望盡快將該成果應用到分子育種中。

然而,植物抗病蛋白種類繁多,還有沒有不同類型的工作方式?新的抗病蛋白如何設計?科學的“為什麼”似乎無窮無盡,這個清華大學與中國科學院的強強組合,還將繼續他們的探索。

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