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植物大战病菌

2019-04-22 11:30:54|来源:经济日报|编辑:薛维萌 |责编:韩东林

周俭民在讲述科研团队揭示抗病蛋白结构的过程。沈慧 摄

  遇到危险,很多人的第一反应是迈开双腿,“逃”。可植物没有“脚”怎么办,只能乖乖“束手就擒”吗?

  其实,在漫长的进化过程中,它们修炼出了完备的防御系统,能够对外部入侵奋起反抗——我国科学家的最新研究成果揭开了这一困扰学界的重要谜题,取得植物免疫研究领域的重大突破

  与人和动物类似,植物在成长的过程中会不断受到来自病毒、细菌、真菌、昆虫等的侵袭。它们虽然不能像人和动物那样移动躲避,但也不是逆来顺受,任“菌”宰割。看起来无计可施的植物,其实比我们想象中“聪明”许多——在漫长的进化过程中,它们修炼出了完备的防御系统,能够对这些入侵奋起反抗。

  这些植物究竟是如何动用防御系统实现绝地反击的?前不久,清华大学教授柴继杰团队、王宏伟团队联合中国科学院遗传发育所研究员周俭民团队,在顶级学术期刊《科学》发表相关成果,揭开了这一困扰学界长达数十年之久的重要谜题。

  举足轻重的抗病蛋白

  农作物增产主要有两种途径,一是培育优良作物品种改善土地生产能力,二是防治病虫害提高作物单产。双管齐下,农作物产量可迅猛提升,但也会遭遇“成长的烦恼”。

  “中国是一个农业大国,也是农业病虫害最为严重的国家之一。”根据周俭民提供的数据,我国每年因病虫害损失的粮食相当于2亿至3亿人一年的口粮。为减少病害,部分地区长期、大量施用农药,耕地面积仅占全球8%的中国,农药施用量占到全球的三分之一。

  当化学农药污染形势日益严峻,越来越多的科学家将研究目光对准生物育种,但烦恼也相伴而至。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”。

  困境如何破解?周俭民认为,减少农药使用,提高植物自身的免疫力可能才是最关键的那把“钥匙”。而这一定程度上又依赖于另一个“主角”——抗病蛋白。

  与人类一样,植物也具有复杂、精细调控的免疫系统,用于识别病原微生物、激活防卫反应,从而保护自己免受侵害。在它们启动免疫系统御敌的过程中,植物细胞内数目众多的抗病蛋白,发挥着举足轻重的作用:它们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。

  然而,这一掌握着植物生杀大权的抗病蛋白到底是如何发挥作用的?多年来,始终无人弄清其中的工作原理。“抗病蛋白理论研究的一个巨大瓶颈在于——缺乏蛋白质结构。”周俭民说,抗病蛋白的构成复杂、分子量大且构象多变,对解析其结构带来了极大困难。自从25年前国际上首次鉴定到抗病蛋白以来,多个国际顶尖实验室均未能破解完整的抗病蛋白结构。

  既然如此,为何还要“明知山有虎偏向虎山行”?在周俭民看来,抗病蛋白的活性该如何管控?抗病蛋白是不是能够形成一个强大的防御机器?这个机器是如何发挥功能的?这些答案都能从蛋白质结构中找到线索。而抗病蛋白机理的研究将为防控重大病虫害提供新思路。

  令人惊叹的攻防策略

  向着科学的高峰努力攀登,周俭民与柴继杰团队合作,在2007年至2008年提出了植物与病原细菌间攻防的“诱饵模型”假设,并提供了初步证据。

  原来,病原细菌可以通过植物叶片表面的气孔进入叶片内部,在植物细胞间隙中夺取营养并增殖。当然,植物并不会坐以待毙。“植物细胞表面有许多被称为受体的蛋白,它们是植物的第一道防线,能识别病原菌的分子,从而调动细胞内的防御系统来抵抗细菌。而狡猾的细菌会向植物细胞内分泌毒性蛋白,利用特殊化学反应精准破坏植物防御系统的关键蛋白。”清华大学和中国科学院的科学家发现,植物在长期斗争中变得更加高明,进化出由抗病蛋白和“诱饵”蛋白组成的第二道防线,欺骗细菌的毒性蛋白,当毒性蛋白破坏“诱饵”蛋白时,会迅速激活抗病蛋白。

  “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。不过,因为这一假设与当时的主流看法相去甚远,在相当长一段时间内,“诱饵模型”迟迟没有被认可。

  咬定青山不放松,在中国科学院战略性先导科技专项的支持下,周俭民团队发现了多个支持“诱饵模型”的分子证据,进一步明晰了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。

  与此同时,柴继杰团队持续推进蛋白质结构研究。不久,长期致力于冷冻电镜方法学研究的王宏伟团队应邀加入,提供强有力的技术支撑。

  多年协作攻关,我国科学家成功解析了植物抗病蛋白的结构,发现了抗病小体,并从分子层面上揭示了抗病蛋白御敌杀敌的经过:受到毒性蛋白破坏的“诱饵”蛋白会引起抗病蛋白发生一系列构象改变,并聚合形成一个叫抗病小体的蛋白机器,这一蛋白机器具备重新调动防御系统的能力,并在植物细胞膜上发出自杀指令,让受到感染的植物细胞与细菌同归于尽,从而保护其他健康细胞。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。

  “该项工作填补了人们25年来对抗病蛋白认知的巨大空白。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。

  新的病虫害防控手段

  “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。”在《科学》杂志同期专文评述中,国际植物抗病研究权威科学家杰弗里·丹格和乔纳森·琼斯对这一重大突破性成果给予高度评价。

  “大家一直认为抗病小体应该存在,但没人发现过,更不知道它的庐山真面目。这真是一个令人震惊和漂亮的结构。看到它,让我非常兴奋。”英国皇家学会会士、欧洲科学院院士索菲安·卡蒙认为,中国学者提出的“诱饵模型”非常新颖,将为植物免疫领域带来很多启示。

  科学研究是为了更好地服务人类。如今,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,而这又对环境、人类健康以及农业可持续发展带来了挑战。如何在保护作物的同时减少化学农药的施用,成为摆在农业生产者和科学家面前的一道难题。

  “利用抗病蛋白,发展新的病虫害防控手段,将大大减少化学农药的施用。抗病蛋白高分辨度结构和作用机制的解析,将为设计持久的新型抗病蛋白,发展绿色农业奠定核心理论基础。”周俭民表示。(沈 慧)

 

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