作为农业大国,我们在植物学领域实现了一个重大突破

作为农业大国,我们在植物学领域实现了一个重大突破
2019年04月05日 08:31 新浪科技-自媒体综合

  来源:科学大院

  民以食为天,但是,全球因为病虫害造成的农作物减产达10%~16%,仅我国每年就会造成4000万吨粮食损失(数据来源:央视新闻 2017年02月11日)。

  怎么对付病虫害?打农药?随之而来的环境和安全问题怎么办?

(图片来源:veer图库)(图片来源:veer图库)

  能不能提高植物自身对抗病虫害的免疫力?

  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经过联合研究,发现了植物免疫过程中由抗病蛋白组成的抗病小体并解析其结构,从而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子机制,为更好利用抗病蛋白服务农业提供了新的可能。 

  相关成果以两篇长文(Research Article)形式,于2019年4月5日发表在国际权威学术期刊Science上 (Wang et al., 2019a, b)。

什么是植物免疫?

  什么是植物免疫?

  植物在成长的过程中会不断受到来自病毒、细菌、真菌、昆虫的侵袭。但是在整个生活周期中,植物大多数都被固着在同一个自然环境,不能够像动物那样主动避开害虫、病原菌的侵害。但在漫长进化过程中,植物也修炼出了自身的金钟罩,拥有了与动物类似的免疫系统。

(图片来源:veer图库)(图片来源:veer图库)

  植物有两道免疫防线来抵抗病原菌以及害虫的破坏:

  第一道防线:由植物细胞膜表面的受体识别病原菌分子,引发免疫反应。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。

  第二道防线:由植物抗病基因编码的抗病蛋白,识别病原菌分泌的效应因子,引起类似于动物细胞程序性死亡的超敏反应,进而抑制病原菌的生长。

  植物还能给病菌下套?

  在本研究中,清华大学和中国科学院遗传与发育生物学研究所的团队提出了一个精妙的模型:

  在植物的第二道免疫防线中,不但有抗病蛋白,还存在“诱饵”蛋白。当病菌分泌的毒性蛋白破坏“诱饵”蛋白时, “诱饵”蛋白会引起抗病蛋白发生一系列构象改变,聚合形成一个叫抗病小体的蛋白机器。抗病小体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,使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。

(图片来源:周俭民研究员)(图片来源:周俭民研究员)

  抗病蛋白是植物的哨兵,也可以说它是一把双刃剑,一旦活性失控,也能杀死植物自身的正常细胞。

  抗病小体模型与动物体内的炎症小体十分类似。炎症小体也是一种多蛋白复合物,是天然免疫系统的重要组成部分。炎症小体能够识别病原,招募和激活相关免疫蛋白,炎症小体的活化还能够诱导细胞的炎症坏死。而炎症小体的病变也会引起动物的自身免疫性疾病。

  植物-病菌攻防战 密码如何破解?

  英国皇家学会会士、欧洲科学院院士Kamoun教授认为,上述模型“真是一个令人震惊和漂亮的结构”。然而,提出这个模型,科学家整整用了25年。

  抗病蛋白理论研究的一个巨大瓶颈在于缺乏蛋白质结构。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1994年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纯化出可供结构分析的全长抗病蛋白质。

  而本次研究的成功得益于多学科合作。周俭民团队和柴继杰团队早已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。

(图片来源:Zhang et al., Cell Host Microbe 2010; Feng et al., Nature 2012; Wang et al., Cell Host Microbe 2015)(图片来源:Zhang et al., Cell Host Microbe 2010; Feng et al., Nature 2012; Wang et al., Cell Host Microbe 2015)

  两个团队多年的合作、经过长期积累形成的理论和实验体系,为后期进一步合作奠定了坚实基础。王宏伟团队长期致力于冷冻电镜方法学的研究、提高和改善,对蛋白质的高分辨率冷冻电镜重构一直是该团队的研究焦点和特长,这为解析抗病蛋白结构解析提供了强有力的技术支撑。

  在上述研究的基础上,三个团队进一步合作,以AvrAC与ZAR1为体系研究植物抗病蛋白结构。经过多年协作攻关,成功地组装了包含激活ZAR1的复合物 (抗病小体,resistosome)。

  结构研究发现,ZAR1被AvrAC激活后,组装成含三个亚基共15个蛋白的环状五聚体蛋白机器,形成抗病小体。

(图片来源:Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity. Science 2019)(图片来源:Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity. Science 2019)

  本研究通过对静息态复合物的结构和功能解析,阐明了抗病蛋白由静息状态,经过中间状态,最终形成抗病小体的生化过程。合作团队紧密结合结构、生化和功能研究,揭示了抗病小体的工作机制,比如,抗病小体形成后直接在细胞质膜上发出自杀指令,很可能是植物细胞死亡和免疫执行者。更有意思的是,抗病蛋白和“诱饵”蛋白可以和不同的接头蛋白结合起来,识别不同的毒性蛋白,这就在不增加免疫力量(抗病蛋白数量)的基础上提高了免疫能力。

  我们离真正的绿色农业还有多远?

  该项工作填补了人们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。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的相似,展现了在不同生命形式中,进化对免疫形成的力量。

  在保护农作物的同时,减少化学农药的施用,一直是摆在农业生产者和科学家面前的一道难题。解决这一问题的关键,就存在于植物细胞中—植物细胞内数目众多的抗病蛋白。在后期的研究中,研究人员将进一步探索,在病毒或真菌感染植物过程中是否存在类似的抗病小体机制,为建立广谱、持久的新型抗病蛋白、发展绿色农业做出贡献。

  “这项成果做到了这一点,它告诉我们抗病小体是如何被激活的。我们有了这些知识,就能更好地利用它服务农业,“这是Kamoun教授对这项研究的点评,也是科学家们的追求。

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