中国科学家发现抗病小体 植物免疫研究获历史性重大突破

      中新网北京4月5日电 (孙自法  郭超凯) 植物细胞内数目众多的抗病蛋白如何监控病虫侵害？又怎样动员植物防卫系统开展疾病免疫？这一植物抗病蛋白被发现20多年来一直困扰学界的难题，最近已由3个中国科学家团队通过合作研究发现抗病小体及相关机制解析予以成功破解，从而填补了人类对抗病蛋白认知的空白，并为研究其他抗病蛋白提供了范本。

　　中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民团队和清华大学柴继杰团队、王宏伟团队通过最新的联合研究，发现由抗病蛋白组成的抗病小体并通过解析其电镜结构，成功揭示出抗病蛋白管控和激活的核心分子机制，从而为更好利用抗病蛋白提供了新的可能。中国科学家在植物免疫研究领域取得这一历史性重大突破的相关成果，北京时间4月5日凌晨获国际权威学术期刊《科学》(Science)以两篇长文(Research Article)形式发表。

　　《科学》杂志同期还发表国际植物抗病研究权威科学家杰弗里﹒丹格(Jeffery Dangl)和琼纳森﹒琼斯(Jonathan Jones)联合撰写的专文评述，高度评价这项重大突破性成果称，“首个抗病小体的发现，为植物如何控制细胞死亡和免疫提供了线索”。同时，《植物学报》也发表国际著名植物抗病专家李昕等人题为“开启防御之门：植物抗病小体”的专文评述，认为该项成果“完成了植物NLR蛋白复合物的组装、结构和功能分析，揭示了NLR作用的关键分子机制，是植物免疫研究的里程碑事件”。

　　植物抗病小体工作机制示意图。清华大学/供图

　　在这项重大成果发表前夕，中科院、清华大学分别举行新闻发布会介绍说，植物具有复杂、精细调控的免疫系统，用于识别病原微生物、激活防卫反应，从而保护自身免受侵害。植物细胞内数目众多的抗病蛋白，是监控病虫侵害的“哨兵”，也是动员植物防卫系统的“指挥官”。不过，抗病蛋白被发现至今已有二十多年，但人们仍然不清楚它们的工作原理。抗病蛋白理论研究的一个巨大瓶颈在于缺乏蛋白质结构，这正是柴继杰团队2004年以来的主攻方向。抗病蛋白的构成复杂、分子量大且构象多变，对解析其结构带来极大困难。自从25年前国际上首次鉴定抗病蛋白以来，多个国际顶尖实验室均未能纯化出可供结构分析的全长抗病蛋白质。柴继杰团队近年在动物炎症小体结构研究中取得突破，由于炎症小体的蛋白质与植物抗病蛋白具有诸多相似性，这些研究为解析植物抗病蛋白结构积累了宝贵经验。

　　周俭民团队和柴继杰团队通过合作，早在2007-2008年就提出植物与病原细菌间攻防的“诱饵模型”并提供了初步证据。周俭民团队通过对病原菌免疫逃逸分子机制和植物免疫系统关键组分的解析，发现多个支持“诱饵模型”的分子证据，并在2012年和2015年的两项工作中，发现病原细菌和植物之间令人惊叹的“攻防策略”：病原细菌的一个致病蛋白AvrAC精准破坏植物免疫系统中的关键组分，帮助细菌侵染植物寄主，而植物则利用特殊的“诱饵”蛋白，感知AvrAC的活动并将信息传递给植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活免疫反应，清除细菌。这两个团队通过多年合作及长期积累形成的理论和实验体系，为后期进一步合作奠定坚实基础。王宏伟团队长期致力于冷冻电镜方法学的研究、提高和改善，对蛋白质的高分辨率冷冻电镜重构一直是该团队的研究焦点和特长，这为解析抗病蛋白结构解析提供了强有力的技术支撑。

　　在之前研究基础上，3个中国科学家团队开展进一步合作，以AvrAC与ZAR1为体系研究植物抗病蛋白结构。经过多年协作攻关，成功组装了包含激活ZAR1的复合物(即抗病小体)。结构研究发现，ZAR1被AvrAC激活后，组装成含3个亚基共15个蛋白的环状五聚体蛋白机器，形成抗病小体。通过对静息态复合物的结构和功能解析，阐明了抗病蛋白由静息状态，经过中间状态，最终形成抗病小体的生化过程。合作团队紧密结合结构、生化和功能研究，揭示出抗病小体工作机制。比如，抗病小体形成后直接在细胞质膜上发出自杀指令，很可能是植物细胞死亡和免疫执行者。合作团队研究还发现，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的相似，展现了在不同生命形式中，进化对免疫形成的力量。

　　业内专家指，各种农作物病虫害严重威胁农业生产，为减少损失，农业生产中不得不大量施用化学农药，但此举对环境、人类健康和农业可持续发展带来挑战，解决在保护作物同时减少化学农药施用这一难题的关键，就在于植物细胞内数目众多的抗病蛋白。中国科学家最新发现抗病小体及完成抗病蛋白高分辨度结构和作用机制的解析，将为设计抗广谱、持久的新型抗病蛋白等新的病虫害防控手段，发展绿色农业奠定核心理论基础。