我國科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞內(nèi)“自殺神器”

記者從中國科學(xué)院獲悉，近日，我國科學(xué)家在植物免疫研究領(lǐng)域取得歷史性的重大突破。研究首次發(fā)現(xiàn)植物細(xì)胞內(nèi)存在一種“自殺神器”。它就是植物免疫關(guān)鍵因子——抗病蛋白組成的形似“風(fēng)火輪”的抗病小體。研究成功解析了抗病小體的電鏡結(jié)構(gòu)，從分子層面上揭示了抗病蛋白管控和激活的核心機制。

這一發(fā)現(xiàn)，為更好地利用抗病蛋白提供了新的可能。“利用抗病蛋白，發(fā)展新的病蟲害防控手段，將大大減少化學(xué)農(nóng)藥的施用。”中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員李家洋院士說，抗病蛋白高分辨度結(jié)構(gòu)和作用機制的解析，將為設(shè)計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)奠定了核心理論基礎(chǔ)。

該研究由中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周儉民團(tuán)隊和清華大學(xué)柴繼杰團(tuán)隊、王宏偉團(tuán)隊聯(lián)合完成。相關(guān)成果以兩篇長文形式，于2019年4月5日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

像動物一樣，植物在生長過程中也會不斷受到病毒、細(xì)菌、真菌、昆蟲的侵襲。周儉民告訴記者，經(jīng)過漫長的進(jìn)化，植物逐漸發(fā)展出一套復(fù)雜、精細(xì)的免疫系統(tǒng)，能夠?qū)@些入侵奮起反抗。其中的關(guān)鍵角色——抗病蛋白，作為監(jiān)控病蟲侵害的哨兵和動員植物防衛(wèi)系統(tǒng)的指揮官，被發(fā)現(xiàn)至今已有二十多年，但人們?nèi)匀徊磺宄鼈兊墓ぷ髟怼?/p>

周儉民團(tuán)隊在2008年提出了植物抗病的“誘餌模型”假說。此后的持續(xù)研究，又發(fā)現(xiàn)了多個支持“誘餌模型”的分子證據(jù)，以及病原細(xì)菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略：病原細(xì)菌是通過向宿主發(fā)送“致病蛋白”來精準(zhǔn)破壞植物的免疫力;而植物則利用特殊的“誘餌蛋白”，感知到致病蛋白的活動并將信息傳遞給植物的抗病蛋白，迅速激活免疫反應(yīng)，清除細(xì)菌。

抗病蛋白被激活后，又是如何工作的呢?柴繼杰團(tuán)隊十幾年來長期致力于破解抗病蛋白結(jié)構(gòu)這一世界難題，并在近年在解析與植物抗病蛋白相似的炎癥小體結(jié)構(gòu)中取得突破。這為解析植物抗病蛋白打下了基礎(chǔ)。這次，三個科學(xué)團(tuán)隊各展所長、通力合作，終于利用先進(jìn)的冷凍電鏡方法，“看”到了抗病小體漂亮的“風(fēng)火輪”結(jié)構(gòu)。

與此同時，植物抗病的神奇過程也獲得全面解析：被激活的抗病蛋白5個一組抱團(tuán)形成“抗病小體”，作用于細(xì)胞膜后，引導(dǎo)受感染細(xì)胞“自殺”并與病菌同歸于盡，以保護(hù)其他健康細(xì)胞不受感染。

研究還發(fā)現(xiàn)，植物抗病小體的組裝方式、結(jié)構(gòu)與功能，與動物免疫中的炎癥小體驚人地相似，展現(xiàn)了在不同生命形式中，進(jìn)化對免疫形成的力量。

研究闡明了抗病蛋白由靜息狀態(tài)，經(jīng)過中間狀態(tài)，最終形成抗病小體的生化過程，揭示了抗病小體的工作機制。該項工作填補了人們25年來對植物抗病蛋白認(rèn)知的空白，為研究其它抗病蛋白提供了范本。

《科學(xué)》雜志同期發(fā)表了國際植物抗病研究權(quán)威科學(xué)家Jeffery Dangl和Jonathan Jones撰寫的專文評述，高度評價這一重大突破性成果：“首個抗病小體的發(fā)現(xiàn)，為植物如何控制細(xì)胞死亡和免疫提供了線索”。《植物學(xué)報》同時發(fā)表國際著名植物抗病專家李昕等人的專文評述，將該項成果稱作“是植物免疫研究的里程碑事件”。

英國皇家學(xué)會會士、歐洲科學(xué)院院士Kamoun教授甚至拍了一個短視頻來表達(dá)自己的興奮之情。他在視頻中說，“這真是一個令人震驚和漂亮的結(jié)構(gòu)。更讓人振奮的是，他們提出了一個我們領(lǐng)域從未有過的全新模型，將會給植物免疫領(lǐng)域帶來很多啟示。”

五聚抗病小體結(jié)構(gòu)，頂部(左)和側(cè)面(右)視圖

關(guān)鍵詞： 植物細(xì)胞 自殺神器