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植物病害抗病小體揭示植物免疫秘密(美麗中國

时间 : 2019-04-10 12:26

  農作物病害是農業生產的巨大威脅。以往,大量施用化學農藥又帶來了農業面源污染。能否在保護作物的同時,少打藥或不打藥

  近日,我國科學家發表的一項重大研究成果,揭示了植物免疫系統的工作原理,有望發展出新的植物防病害手段,提高農作物自身抗病虫害的能力

  日前,清華大學柴繼杰團隊、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聯合在植物免疫研究領域取得歷史性重大突破,發現了首個“抗病小體”,並成功解析其作用機理,為研究植物如何控制細胞死亡和免疫提供了重要線索。該成果於北京時間4月5日在國際權威學術期刊《科學》發表

  今年中央一號文件提出,加大農業面源污染治理力度,開展農業節肥節藥行動,實現化肥農藥使用量負增長。而我國科學家的這一重大發現意味著,利用這個“抗病小體”,人們可以想方設法更好提升植物免疫力,還能“從頭到腳”地去設計更為強大的抗病虫農作物。農作物自身抗病能力提高了,化學農藥的施用量自然就會大大減少

  同動物一樣,植物在成長過程中,也會不斷受到來自病毒、細菌、真菌、昆虫等的侵襲。植物雖然不能像動物那樣移動躲避,但也不是逆來順受,“任人宰割”。在漫長的進化過程中,植物“”出了完備的免疫系統,能夠對這些入侵進行反抗,從而保護自己免受侵害

  在植物啟動免疫系統進行防御的過程中,植物細胞內數目眾多的抗病蛋白扮演著至關重要的角色。它們既是監控病虫侵害的哨兵,也是動員植物防衛系統的指揮官

  因此,要想提升植物自身的免疫力,首先必須得搞清楚抗病蛋白的工作原理和機制。然而,這項工作十分困難。從25年前首個抗病蛋白被發現到現在,人們仍然沒能揭示其中的奧秘

  “抗病蛋白的構成復雜、分子量大且構象多變,對解析其結構帶來了極大困難。”周儉民說,“25年來,多個國際頂尖實驗室都未能破解完整的抗病蛋白結構。”

  周儉民說:“比如,抗病蛋白的活性該如何管控?抗病蛋白是不是能夠形成一個強大的防御機器?這個機器是如何發揮功能的?這些都能從蛋白質結構中找到線索。”

  盡管抗病蛋白結構的難題多年未有突破,但各國科學家仍堅持不懈。柴繼杰團隊和周儉民團隊十幾年來長期合作,一直以此為主攻方向

  周儉民團隊和柴繼杰團隊的早期合作發現了植物與細菌攻防的線索,並提出了植物與病原細菌間攻防的“誘餌模型”﹔周儉民團隊進一步發現了一系列新的實驗証據,完善了這個模型

  在此間的兩項工作中,周儉民團隊發現了病原細菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略。即病原細菌的一個致病蛋白AvrAC在精准破壞植物免疫系統中的關鍵部分之后,幫助細菌侵染植物寄主。而與此同時,植物則利用特殊的“誘餌”蛋白,感知到了這個致病蛋白的活動並將信息傳遞給了植物抗病蛋白ZAR1,迅速激活了免疫反應,清除細菌

  “植物細胞表面有許多受體,它們是植物的第一道防線,一般能識別出細菌,並調動細胞內的防御系統來抵抗它。但狡猾的細菌可不會輕易投降,而是會向植物細胞內分泌毒性蛋白,利用特殊化學反應精准破壞植物防御系統的關鍵蛋白。”周儉民說,不過,也別太擔心,植物在長期的斗爭中變得更加高明,進化出由抗病蛋白和誘餌蛋白組成的第二道防線,欺騙細菌的毒性蛋白,等毒性蛋白破壞誘餌蛋白時,會迅速激活抗病蛋白

  根據“誘餌模型”,毒性蛋白破壞“誘餌”蛋白時,會引起抗病蛋白發生一系列構象改變,成為激活狀態的抗病蛋白。但其中具體的分子過程、這個活性狀態的抗病蛋白是什麼樣的,需要從蛋白結構中去尋找答案

  柴繼杰團隊在動物炎症小體結構研究中取得了突破。由於炎症小體的蛋白質與植物抗病蛋白具有諸多相似性,這些研究為解析植物抗病蛋白的結構積累了寶貴的經驗

  有了理論基礎和實驗生物學體系,還需要強有力的技術支撐。於是,以冷凍電鏡方法學研究見長的清華大學王宏偉團隊應邀加入。之后,又經過多年協作攻關,3個團隊終於於近日成功地組裝了包含ZAR1激活的抗病小體

  周儉民說:“結構研究發現,抗病蛋白ZAR1被細菌蛋白AvrAC激活后,組裝成含3個亞基共15個蛋白的環狀五聚體蛋白機器,我們把它命名為抗病小體。”

  緊接著,聯合團隊又揭示了抗病小體的工作機制。比如,抗病小體形成后通過一個死亡開關,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的執行者

  “抗病小體讓受到感染的植物細胞與細菌同歸於盡,從而保護其它健康細胞。”周儉民說

  學界一直認為“抗病小體”應該存在,但從來沒有人發現過,更不知道它長啥樣。此次首個“抗病小體”的發現填補了人們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范本。與此同時,利用抗病蛋白,發展新的病虫害防控手段,以及更好地設計抗病虫農作物,將會大大減少化學農藥的施用,從而保護環境

  中科院院士李家洋認為這項成果不僅在科學認知上取得了重大的突破,同時也在農業生產上具有廣泛的應用前景

  中科院院士康樂認為,這項成果最重要的是改變了植物防病害的思路,更為精准

  在《科學》雜志同期專文評述中,國際植物抗病研究權威科學家杰弗裡·丹格(Jeffery Dangl)和喬納森·瓊斯(Jonathan Jones)對這一重大突破性成果給予高度評價:“首個抗病小體的發現,為植物如何控制細胞死亡和免疫提供了線索。”

  2015年,我國在全國范圍內開始開展“農藥零增長”行動,目標是到2020年力爭實現農藥使用總量零增長。令人驚喜的是,2017年就實現農藥零增長目標,比原計劃提前了3年

  好成績的取得,是積極推廣實施生物、物理防治等綠色防控措施,科學使用農藥的結果。其中,抗病分子育種就是一個主要綠色防控手段。此次抗病小體的發現,也將會極大推動傳統抗病分子育種方式的改進升級

  傳統抗病分子育種,首先需要篩選抗病種質資源,然后將其中的抗病基因通過傳統雜交方式導入優良品種中去。周儉民說:“這種方式存在的問題就是育種周期長,抗普窄,趕不上病虫變異的速度。所以,抗病品種經常是還在生產過程中就很快失去了抗病作用。”

  現在,更為精准的抗病分子育種,能讓育種周期大大縮短,也可能大幅減少農藥的用量。康樂表示,“當我們搞清楚了抗病小體的工作機理,就能針對不同病毒,更精准設計出抗病蛋白,讓農作物更方便地獲得某種抗病性。”

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