文章來自“科學大院”公眾號
作者：科學大院
民以食為天，但是，全球因為病蟲害造成的農作物減產達10%~16%，僅我國每年就會造成4000萬噸糧食損失（數據來源：央視新聞 2017年02月11日）。
怎麽對付病蟲害？打農藥？隨之而來的環境和安全問題怎麽辦？
（圖片來源：veer圖庫）
能不能提高植物自身對抗病蟲害的免疫力？
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和清華大學王宏偉團隊經過聯合研究，發現了植物免疫過程中由抗病蛋白組成的抗病小體並解析其結構，從而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機制，為更好利用抗病蛋白服務農業提供了新的可能。
相關成果以兩篇長文(Research Article)形式，於2019年4月5日發表在國際權威學術期刊Science上 (Wang et al., 2019a, b)。
什麽是植物免疫？
植物在成長的過程中會不斷受到來自病毒、細菌、真菌、昆蟲的侵襲。但是在整個生活周期中，植物大多數都被固著在同一個自然環境，不能夠像動物那樣主動避開害蟲、病原菌的侵害。但在漫長進化過程中，植物也修煉出了自身的金鐘罩，擁有了與動物類似的免疫系統。
（圖片來源：veer圖庫）
植物有兩道免疫防線來抵抗病原菌以及害蟲的破壞：
第一道防線：由植物細胞膜表面的受體識別病原菌分子，引發免疫反應。而狡猾的細菌會向植物細胞內分泌毒性蛋白，利用特殊化學反應，精準破壞植物防禦系統的關鍵蛋白。
第二道防線：由植物抗病基因編碼的抗病蛋白，識別病原菌分泌的效應因子，引起類似於動物細胞程序性死亡的超敏反應，進而抑製病原菌的生長。
植物還能給病菌下套？
在本研究中，清華大學和中國科學院遺傳與發育生物學研究所的團隊提出了一個精妙的模型：
在植物的第二道免疫防線中，不但有抗病蛋白，還存在“誘餌”蛋白。當病菌分泌的毒性蛋白破壞“誘餌”蛋白時， “誘餌”蛋白會引起抗病蛋白發生一系列構象改變，聚合形成一個叫抗病小體的蛋白機器。抗病小體具備重新調動防禦系統的能力，並在植物細胞膜上發出自殺指令，使受到感染的植物細胞與細菌同歸於盡，從而保護其他健康細胞。
（圖片來源：周儉民研究員）
抗病蛋白是植物的哨兵，也可以說它是一把雙刃劍，一旦活性失控，也能殺死植物自身的正常細胞。
抗病小體模型與動物體內的炎症小體十分類似。炎症小體也是一種多蛋白複合物，是天然免疫系統的重要組成部分。炎症小體能夠識別病原，招募和激活相關免疫蛋白，炎症小體的活化還能夠誘導細胞的炎症壞死。而炎症小體的病變也會引起動物的自身免疫性疾病。
植物-病菌攻防戰 密碼如何破解？
英國皇家學會會士、歐洲科學院院士Kamoun教授認為，上述模型“真是一個令人震驚和漂亮的結構”。然而，提出這個模型，科學家整整用了25年。
抗病蛋白理論研究的一個巨大瓶頸在於缺乏蛋白質結構。抗病蛋白的構成複雜、分子量大、且構象多變，對解析其結構帶來了極大困難。自從1994年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。
而本次研究的成功得益於多學科合作。周儉民團隊和柴繼傑團隊早已發現了病原細菌和植物之間令人驚歎的攻防策略：病原細菌的一個致病蛋白AvrAC精準破壞植物免疫系統中的關鍵組分，幫助細菌侵染植物寄主；而植物則利用特殊的“誘餌”蛋白，感知AvrAC的活動並將信息傳遞給植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活免疫反應，清除細菌。
（圖片來源：Zhang et al., Cell Host Microbe 2010; Feng et al., Nature 2012; Wang et al., Cell Host Microbe 2015）
兩個團隊多年的合作、經過長期積累形成的理論和實驗體系，為後期進一步合作奠定了堅實基礎。王宏偉團隊長期致力於冷凍電鏡方法學的研究、提高和改善，對蛋白質的高分辨率冷凍電鏡重構一直是該團隊的研究焦點和特長，這為解析抗病蛋白結構解析提供了強有力的技術支撐。
在上述研究的基礎上，三個團隊進一步合作，以AvrAC與ZAR1為體系研究植物抗病蛋白結構。經過多年協作突破，成功地組裝了包含激活ZAR1的複合物 (抗病小體，resistosome)。
結構研究發現，ZAR1被AvrAC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，形成抗病小體。
（圖片來源：Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity.Science 2019）
本研究通過對靜息態複合物的結構和功能解析，闡明了抗病蛋白由靜息狀態，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，揭示了抗病小體的工作機制，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。更有意思的是，抗病蛋白和“誘餌”蛋白可以和不同的接頭蛋白結合起來，識別不同的毒性蛋白，這就在不增加免疫力量（抗病蛋白數量）的基礎上提高了免疫能力。
我們離真正的綠色農業還有多遠？
該項工作填補了人們25年來對抗病蛋白認知的空白，為研究其它抗病蛋白提供了範本。研究還發現，植物抗病小體的組裝方式、結構與功能，與動物免疫中的炎症小體驚人的相似，展現了在不同生命形式中，進化對免疫形成的力量。
在保護農作物的同時，減少化學農藥的施用，一直是擺在農業生產者和科學家面前的一道難題。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。在後期的研究中，研究人員將進一步探索，在病毒或真菌感染植物過程中是否存在類似的抗病小體機制，為建立廣譜、持久的新型抗病蛋白、發展綠色農業做出貢獻。
“這項成果做到了這一點，它告訴我們抗病小體是如何被激活的。我們有了這些知識，就能更好地利用它服務農業，“這是Kamoun教授對這項研究的點評，也是科學家們的追求。
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