植物細(xì)胞內(nèi)數(shù)目眾多的抗病蛋白，是監(jiān)控病蟲侵害的“哨兵”，也是動(dòng)員植物防衛(wèi)系統(tǒng)的“指揮官”。植物體內(nèi)的抗病蛋白已被發(fā)現(xiàn)25年，但科學(xué)家對(duì)其發(fā)揮作用的分子機(jī)制仍不清楚。4月5日，在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上，清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院的學(xué)者同時(shí)發(fā)表兩篇長(zhǎng)文，中國(guó)學(xué)者在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)由植物抗病蛋白組成的抗病小體，并解析其處于抑制狀態(tài)、中間狀態(tài)及五聚體活化狀態(tài)的冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，從而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機(jī)制，為將來(lái)更好利用抗病蛋白培育抗病植物提供新的可能性——比如設(shè)計(jì)新型抗病蟲育種，大大減少化學(xué)農(nóng)藥的施用。
這是中國(guó)科學(xué)家在國(guó)際植物免疫研究領(lǐng)域取得的歷史性重大突破。
尋找針對(duì)某種具體病蟲害的抗病基因，并成功轉(zhuǎn)移到易感物種，是許多重要植物抗病育種工作的基礎(chǔ)，對(duì)植物抗病蛋白功能的分子機(jī)理研究具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。但抗病蛋白理論研究的巨大瓶頸在于缺乏蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)椋鳛槎嘟Y(jié)構(gòu)域的蛋白，植物抗病蛋白經(jīng)常具有分子量大及構(gòu)像多變等特點(diǎn)，導(dǎo)致體外的純化重組及結(jié)構(gòu)研究非常困難。
自從25年前全球首次鑒定到抗病蛋白以來(lái)，多個(gè)國(guó)際頂尖實(shí)驗(yàn)室均未能純化出可供結(jié)構(gòu)分析的全長(zhǎng)抗病蛋白質(zhì)。
自2004年以來(lái)，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授柴繼杰團(tuán)隊(duì)，就致力于篩選理想的植物抗病蛋白，十五年間，數(shù)十位博士研究生在植物抗病蛋白的大量表達(dá)、高質(zhì)量純化和體外重組等方面積累寶貴經(jīng)驗(yàn)。2013年底，柴繼杰團(tuán)隊(duì)成功篩選到用于結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究的理想候選抗病蛋白ZAR1。ZAR1之前被研究證實(shí)是利用假激酶ZED1為“誘餌”來(lái)特異性識(shí)別和感應(yīng)假單胞桿菌Ⅲ型分泌效應(yīng)蛋白HopZ1a的抗病蛋白。
2015年，中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員周儉民團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了病原細(xì)菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略：病原細(xì)菌的一個(gè)致病蛋白AvrAC精準(zhǔn)破壞植物免疫系統(tǒng)中的關(guān)鍵組分，幫助細(xì)菌侵染植物寄主;而植物則利用特殊的“誘餌”PBL2和RKS1蛋白，感知AvrAC的活動(dòng)并將信息傳遞給植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活免疫反應(yīng)，清除細(xì)菌。
之后兩個(gè)團(tuán)隊(duì)就ZAR1抗病蛋白的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究展開緊密合作，借助于清華大學(xué)教授王宏偉團(tuán)隊(duì)在冷凍電鏡方法學(xué)上的成就，他們以AvrAC與ZAR1為體系研究植物抗病蛋白結(jié)構(gòu)，成功地解析了植物抗病蛋白抑制狀態(tài)復(fù)合物RKS1-ZAR1、識(shí)別-啟動(dòng)狀態(tài)復(fù)合物PBL2UMP-RKS1-ZAR1、和激活復(fù)合物(抗病小體，resistosome)的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)闡述植物抗病蛋白的工作機(jī)理。
植物抗病蛋白的抑制狀態(tài)結(jié)構(gòu)(A)、識(shí)別-啟動(dòng)狀態(tài)結(jié)構(gòu)(B)和啟動(dòng)機(jī)理(C)示意圖
本次在《科學(xué)》雜志發(fā)表的文章揭示，ZAR1被AvrAC激活后，組裝成含三個(gè)亞基共15個(gè)蛋白的環(huán)狀五聚體蛋白機(jī)器，植物抗病蛋白的第一個(gè)激活復(fù)合物被成功捕捉并被正式命名為“抗病小體”(resistosome)，這是國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)抗病小體。更為重要的是，抗病小體結(jié)構(gòu)的解析為理解其生化功能提供了線索，奠定植物控制細(xì)胞死亡和免疫新模型的建立。
植物抗病小體不同視角的結(jié)構(gòu)示意圖
兩篇文章通過(guò)對(duì)抑制狀態(tài)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和功能解析，闡明了抗病蛋白由抑制狀態(tài)，經(jīng)過(guò)中間狀態(tài)，最終形成抗病小體的生化過(guò)程，合作團(tuán)隊(duì)緊密結(jié)合結(jié)構(gòu)、生化、和功能研究，揭示了抗病小體工作機(jī)制。比如，抗病小體形成后直接在細(xì)胞質(zhì)膜上發(fā)出自殺指令，很可能是植物細(xì)胞死亡和免疫執(zhí)行者。該項(xiàng)工作填補(bǔ)了人們25年來(lái)對(duì)抗病蛋白認(rèn)知的巨大空白，為研究其它抗病蛋白提供了范本。
圖3植物抗病小體工作機(jī)制示意圖
成果評(píng)價(jià)
顯著推進(jìn)對(duì)植物免疫機(jī)制的認(rèn)識(shí)
在國(guó)際植物抗病研究權(quán)威科學(xué)家美國(guó)科學(xué)院院士Jeffery Dangl和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員、美國(guó)科學(xué)院院士Jonathan Jones看來(lái)：“首個(gè)抗病小體的發(fā)現(xiàn)，為植物如何控制細(xì)胞死亡和免疫提供了線索，顯著地推進(jìn)了人們對(duì)植物免疫機(jī)制的認(rèn)識(shí)，打開了多個(gè)開拓性研究方向。”
成果應(yīng)用
新型抗病蟲育種
減少化學(xué)農(nóng)藥使用
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，利用抗病蛋白，設(shè)計(jì)新型抗病蟲育種，將大大減少化學(xué)農(nóng)藥的施用。抗病蛋白高分辨度結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制的解析，將為設(shè)計(jì)抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)奠定了核心理論基礎(chǔ)。
“該項(xiàng)研究填補(bǔ)了人們25年來(lái)對(duì)抗病蛋白認(rèn)知的空白，為研究其它抗病蛋白提供了范本。”周儉民告訴記者，各種農(nóng)作物病蟲害嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為了減少損失，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不得不大量施用化學(xué)農(nóng)藥，但這又對(duì)環(huán)境、人類健康、和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了挑戰(zhàn)。而抗病蛋白發(fā)現(xiàn)病菌后，可以迅速啟動(dòng)植物防衛(wèi)反應(yīng)，殺死病菌，從而保護(hù)植物免受侵害。利用抗病蛋白，發(fā)展新的病蟲害防控手段，將大大減少化學(xué)農(nóng)藥的施用。
他說(shuō)，未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)既可以應(yīng)用于農(nóng)作物的“育種”階段，培育出可以抗病害的農(nóng)作物。也可以用于制作“干擾劑”，在農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程中使用，增強(qiáng)對(duì)病害的抵御能力，“目前研究看，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到茄子、辣椒、西紅柿以及油菜等果蔬相對(duì)簡(jiǎn)單，并且容易操作，相對(duì)比較容易在短期內(nèi)就造福我們的生活。”
關(guān)鍵詞：
