植物里有个“自杀小队”

 
植物里有个“自杀小队”  
 

五聚抗病小体结构。分别显示顶部(左)和侧面(右)视图。中科院遗传发育所供图

人有免疫力，植物有免疫力吗？答案是肯定的，看似娇弱的花花草草，可能远比你想象中来得坚强。

植物具有复杂、精细调控的免疫系统，可植物抗病蛋白被发现至今已经20多年了，人们却仍然不清楚它们的工作原理。

这一谜题在4月5日得以揭开。中国科学院遗传与发育生物学研究所与清华大学的研究团队合作，在植物体内发现了由抗病蛋白组成的抗病小体并解析其电镜结构，揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子机制。相关成果在《科学（Science）》杂志上在线发表。

农药困境

中国是一个农业大国，但人多地少的现状，让中国成为农业病虫害最为严重的国家之一。有统计数字表明，为了控制病害，中国农药施用量占到了全球总量的三分之一，带来了严重的生态环境和食品安全问题。

这也愁煞了中国的育种学家。南京农业大学植物保护学院院长王源超坦言，中国的育种学家“一直在拼命地育种，但新品种用个三五年，抗性就消失了，似乎总也追不上病原菌的变异速度”。

在中科院遗传发育所研究员周俭民看来，要减少农药的使用，提高植物自身的免疫力，可能才是最关键的那把“钥匙”。

这让科学家将目光聚焦在植物细胞中存在的数目众多的抗病蛋白上。抗病蛋白既是监控病虫侵害的“哨兵”，也是动员植物防卫系统的“指挥官”。

从2004年起，周俭民与清华大学教授柴继杰团队合作，开始研究植物与病菌“攻防战”中的关键科学问题，并首次在世界上提出了“诱饵模型”的观点。

“我们认为，植物的抗病蛋白就像一个老鼠夹子，诱饵蛋白就像夹子上的奶酪，当‘老鼠’闻着奶酪味过来时，夹子就会一下子把它抓住。”周俭民说

然而，由于该理论与当时的主流观点大相径庭，大约有5年时间，这一观点并没有被学界广泛接受。周俭民说，那时候，甚至连“学生发论文都受到了影响”。

谁发出了“自杀”指令？

周俭民团队没有放弃。在中科院战略性先导科技专项的支持下，他和同事持续收集新的证据，他们愈发相信，植物和病原细菌之间存在着令人惊叹的攻防策略。

在另一条路上，清华大学团队也在不断向前推进。抗病蛋白理论研究的一个巨大瓶颈在于缺乏蛋白质结构，20多年来，多个国际顶尖实验室均折戟于此。

这恰恰正是柴继杰团队的主攻方向，他们曾在动物炎症小体结构研究中取得突破，这种蛋白与植物抗病蛋白有诸多相似性；清华大学教授王宏伟团队则长期致力于冷冻电镜方法学的研究，为抗病蛋白结构解析提供了强有力的技术支撑。

强强联合之下，谜团终于揭开。

研究团队发现，拟南芥的抗病蛋白感知到病菌后，会组装成一个环状的五聚体蛋白“机器”，形成抗病小体。抗病小体的中间有个“钻头”，它能够“刺破”染病的细胞膜，以“自杀”的方式与病菌“同归于尽”。也就是说，抗病小体很可能是植物细胞死亡和免疫的执行者。

“我们还发现，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地相似，这展现了在不同生命形式中，进化对免疫形成的力量。”周俭民说。

“钻石”何时发光？

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中国学者的这一发现，填补了25年来人们对抗病蛋白认知的空白。英国皇家学会会士、欧洲科学院院士Sophien Kamoun认为，中国学者提出的“自杀开关”模型非常新，会给植物免疫领域带来很多启示。

中科院院士康乐则形容抗病小体的结构“非常漂亮，就像一枚钻石组成的首饰。这说明在进化的作用下，生物一定是简约、美丽的”。

当然，更多人关心的还是这项成果能否应用于农业生产。因为利用抗病蛋白发展新的病虫害防控手段，毫无疑问将大大减少化学农药的施用。而抗病蛋白高分辨度结构和作用机制的解析，也将为设计抗广谱、持久的新型抗病蛋白，发展绿色农业奠定核心的理论基础。

在中科院院士、中科院遗传发育所研究员李家洋看来，在国际上率先提出、发现抗病小体，是中国学者对植物科学的重大贡献。“未来通过分子设计育种等手段，相信这项成果也将为农业生产带来广阔的应用前景。”

抗病小体这块“钻石”何时才能发光，也许科学家们还无法给出一个确切的答案。但至少，未来可期。

论文信息：

DOI: 10.1126/science.aav5868

DOI: 10.1126/science.aav5870

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