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中國科學家發現抗病小體 植物免疫研究獲歷史性重大突破

2019年04月05日 10:06 來源:中國新聞網 參與互動 
中國科學家發現抗病小體植物免疫研究獲歷史性重大突破
    五聚抗病小體結構。分別顯示頂部(左)和側面(右)視圖。中科院遺傳發育所 /供圖 攝

  中新網北京4月5日電 (孫自法 郭超凱)植物細胞內數目眾多的抗病蛋白如何監控病蟲侵害?又怎樣動員植物防衛系統開展疾病免疫?這一植物抗病蛋白被發現20多年來一直困擾學界的難題,最近已由3個中國科學家團隊通過合作研究發現抗病小體及相關機制解析予以成功破解,從而填補了人類對抗病蛋白認知的空白,并為研究其他抗病蛋白提供了范本。

  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柴繼杰團隊、王宏偉團隊通過最新的聯合研究,發現由抗病蛋白組成的抗病小體并通過解析其電鏡結構,成功揭示出抗病蛋白管控和激活的核心分子機制,從而為更好利用抗病蛋白提供了新的可能。中國科學家在植物免疫研究領域取得這一歷史性重大突破的相關成果,北京時間4月5日凌晨獲國際權威學術期刊《科學》(Science)以兩篇長文(Research Article)形式發表。

  《科學》雜志同期還發表國際植物抗病研究權威科學家杰弗里﹒丹格(Jeffery Dangl)和瓊納森﹒瓊斯(Jonathan Jones)聯合撰寫的專文評述,高度評價這項重大突破性成果稱,“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”。同時,《植物學報》也發表國際著名植物抗病專家李昕等人題為“開啟防御之門:植物抗病小體”的專文評述,認為該項成果“完成了植物NLR蛋白復合物的組裝、結構和功能分析,揭示了NLR作用的關鍵分子機制,是植物免疫研究的里程碑事件”。

植物抗病小體工作機制示意圖。清華大學/供圖
植物抗病小體工作機制示意圖。清華大學/供圖

  在這項重大成果發表前夕,中科院、清華大學分別舉行新聞發布會介紹說,植物具有復雜、精細調控的免疫系統,用于識別病原微生物、激活防衛反應,從而保護自身免受侵害。植物細胞內數目眾多的抗病蛋白,是監控病蟲侵害的“哨兵”,也是動員植物防衛系統的“指揮官”。不過,抗病蛋白被發現至今已有二十多年,但人們仍然不清楚它們的工作原理。抗病蛋白理論研究的一個巨大瓶頸在于缺乏蛋白質結構,這正是柴繼杰團隊2004年以來的主攻方向。抗病蛋白的構成復雜、分子量大且構象多變,對解析其結構帶來極大困難。自從25年前國際上首次鑒定抗病蛋白以來,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。柴繼杰團隊近年在動物炎癥小體結構研究中取得突破,由于炎癥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結構積累了寶貴經驗。

  周儉民團隊和柴繼杰團隊通過合作,早在2007-2008年就提出植物與病原細菌間攻防的“誘餌模型”并提供了初步證據。周儉民團隊通過對病原菌免疫逃逸分子機制和植物免疫系統關鍵組分的解析,發現多個支持“誘餌模型”的分子證據,并在2012年和2015年的兩項工作中,發現病原細菌和植物之間令人驚嘆的“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的活動并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。這兩個團隊通過多年合作及長期積累形成的理論和實驗體系,為后期進一步合作奠定堅實基礎。王宏偉團隊長期致力于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。

  在之前研究基礎上,3個中國科學家團隊開展進一步合作,以AvrAC與ZAR1為體系研究植物抗病蛋白結構。經過多年協作攻關,成功組裝了包含激活ZAR1的復合物(即抗病小體)。結構研究發現,ZAR1被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,形成抗病小體。通過對靜息態復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,揭示出抗病小體工作機制。比如,抗病小體形成后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。合作團隊研究還發現,植物抗病小體的組裝方式、結構與功能,與動物免疫中的炎癥小體驚人的相似,展現了在不同生命形式中,進化對免疫形成的力量。

  業內專家指,各種農作物病蟲害嚴重威脅農業生產,為減少損失,農業生產中不得不大量施用化學農藥,但此舉對環境、人類健康和農業可持續發展帶來挑戰,解決在保護作物同時減少化學農藥施用這一難題的關鍵,就在于植物細胞內數目眾多的抗病蛋白。中國科學家最新發現抗病小體及完成抗病蛋白高分辨度結構和作用機制的解析,將為設計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白等新的病蟲害防控手段,發展綠色農業奠定核心理論基礎。(完)

【編輯:劉羨】

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