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我国科学家首次发现植物抗病小体

文章来源: 更新时间:2019-06-03 08:46

 

 

为了减少病虫害给作物造成的损失,农业生产中不得不依赖化学农药,但这又对环境、人类健康和农业可持续发展带来了挑战。如何在保护作物的同时,又能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。

近日,我国科学家研究出的一项重要成果有望解决这一难题。清华大学柴继杰团队、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王宏伟团队通过联合研究,在植物中发现由抗病蛋白组成的抗病小体并解析其冷冻电镜结构,揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子机制。该成果的研究和应用有望充分调动植物自身抵御病虫害的能力,对于培育抗病虫农作物、大幅减少农药使用量具有重要的现实意义。

相关成果日前以两篇长文在国际权威学术期刊《科学》上发表。这是中国科学家在植物免疫研究领域取得的历史性重大突破,该项科研新成果被国外同行点赞。中国工程院院士、西北农林科技大学教授康振生评价,这是植物免疫研究领域取得的里程碑式成果,或将引领未来植物病理学和免疫学的发展。

和人体内有免疫系统一样,科学家发现,植物在漫长的进化过程中也“修炼”出了完备的免疫防御系统,可以对病原微生物的入侵奋起反抗。植物免疫系统的基础组成就是植物细胞内数目众多的抗病蛋白——它们是监控病虫侵害的“哨兵”,也是动员植物防卫系统的“指挥官”。但抗病蛋白被发现至今已有25年,人们仍然不清楚其工作原理,没能解析抗病蛋白发挥功能的核心机制,成为制约其应用的巨大瓶颈。

周俭民团队在2012年和2015年的两项研究中,发现了病原细菌和植物之间令人惊叹的攻防策略。病原细菌的一种致病蛋白精准破坏植物免疫系统中的关键组分,帮助细菌侵染植物;而植物则利用特殊的“诱饵”蛋白,感知该致病蛋白的活动并将信息传递给一种植物抗病蛋白,迅速激活植物的免疫反应,清除细菌。

柴继杰团队自2004年以来一直主攻抗病蛋白的的结构解析,王宏伟团队的研究焦点和特长是对蛋白质的高分辨率冷冻电镜重构,加上周俭民团队的深入研究,这为解析抗病蛋白结构提供了强有力的技术支撑。三个团队经过多年协作攻关,成功地组装了包含激活这种植物抗病蛋白的复合物。进一步研究发现,这种抗病蛋白被致病蛋白激活后,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。

抗病小体能对植物防御系统发出强大的动员命令,并在植物细胞膜上发出自杀指令,让受到感染的少数植物细胞和入侵的病原菌同归于尽,从而阻止病原菌扩散,保护其他健康细胞。令人惊叹的是,抗病小体与人类免疫中的炎症小体的形成机制和作用极为相似,因此对研究动物天然免疫也有借鉴意义。

“该项研究填补了人们25年来对抗病蛋白认知的空白,为研究其它抗病蛋白提供了范本。”周俭民表示,抗病蛋白发现病菌后,可以迅速启动植物防卫反应,杀死病菌,从而保护植物免受侵害。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。

周俭民说,未来这项技术既可以应用于农作物的育种阶段,培育出可以抗病害的农作物;也可以用于制作“干扰剂”,在农作物生长过程中使用,增强对病害的抵御能力。“目前研究看,这项技术应用到茄子、辣椒、西红柿以及油菜等果蔬相对简单,并且容易操作,相对比较容易在短期内就造福我们的生活。”

柴继杰表示:“植物一般无法移动,遭遇病虫害时不能像动物那样逃离。尽管体内抗病蛋白数量众多,但总有防不胜防的疾病来袭,而抗病小体可以组合作战,使其应对陌生病毒的本领增强了。”而搞清楚抗病小体的工作机制,对未来进一步展开抗病蛋白的研究是至关重要的一步。

周俭民也提到,“免疫反应过度表达也会给植物带来危害。那么,这个度在哪里?我们如何能够精准地控制这个‘开关’?这些都还需要下一步的深入研究。”周俭民表示,研究团队将沿着这个方向继续努力。

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