中国学者首次发现植物抗病小体 将大幅减少化学农药施用

  植物细胞内数目众多的抗病蛋白,是监控病虫侵害的“哨兵”,也是动员植物防卫系统的“指挥官”。植物体内的抗病蛋白已被发现25年,但科学家对其发挥作用的分子机制仍不清楚。4月5日,在国际权威学术期刊《科学》上,清华大学和中国科学院的学者同时发表两篇长文,中国学者在国际上首次发现由植物抗病蛋白组成的抗病小体,并解析其处于抑制状态、中间状态及五聚体活化状态的冷冻电镜结构,从而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子机制,为将来更好利用抗病蛋白培育抗病植物提供新的可能性——比如设计新型抗病虫育种,大大减少化学农药的施用。

  这是中国科学家在国际植物免疫研究领域取得的历史性重大突破。

  寻找针对某种具体病虫害的抗病基因,并成功转移到易感物种,是许多重要植物抗病育种工作的基础,对植物抗病蛋白功能的分子机理研究具有重要的理论及现实意义。但抗病蛋白理论研究的巨大瓶颈在于缺乏蛋白质结构,这是因为,作为多结构域的蛋白,植物抗病蛋白经常具有分子量大及构像多变等特点,导致体外的纯化重组及结构研究非常困难。

  自从25年前全球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。

  自2004年以来,清华大学生命科学学院教授柴继杰团队,就致力于筛选理想的植物抗病蛋白,十五年间,数十位博士研究生在植物抗病蛋白的大量表达、高质量纯化和体外重组等方面积累宝贵经验。2013年底,柴继杰团队成功筛选到用于结构生物学研究的理想候选抗病蛋白ZAR1。ZAR1之前被研究证实是利用假激酶ZED1为“诱饵”来特异性识别和感应假单胞杆菌Ⅲ型分泌效应蛋白HopZ1a的抗病蛋白。

  2015年,中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员周俭民团队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”PBL2和RKS1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。

  之后两个团队就ZAR1抗病蛋白的结构生物学研究展开紧密合作,借助于清华大学教授王宏伟团队在冷冻电镜方法学上的成就,他们以AvrAC与ZAR1为体系研究植物抗病蛋白结构,成功地解析了植物抗病蛋白抑制状态复合物RKS1-ZAR1、识别-启动状态复合物PBL2UMP-RKS1-ZAR1、和激活复合物(抗病小体,resistosome)的结构,详细阐述植物抗病蛋白的工作机理。

  植物抗病蛋白的抑制状态结构(A)、识别-启动状态结构(B)和启动机理(C)示意图

  本次在《科学》杂志发表的文章揭示,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,植物抗病蛋白的第一个激活复合物被成功捕捉并被正式命名为“抗病小体”(resistosome),这是国际上首次发现抗病小体。更为重要的是,抗病小体结构的解析为理解其生化功能提供了线索,奠定植物控制细胞死亡和免疫新模型的建立。

  植物抗病小体不同视角的结构示意图

  两篇文章通过对抑制状态复合物的结构和功能解析,阐明了抗病蛋白由抑制状态,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。该项工作填补了人们25年来对抗病蛋白认知的巨大空白,为研究其它抗病蛋白提供了范本。

  图3植物抗病小体工作机制示意图

  成果评价

  显著推进对植物免疫机制的认识

  在国际植物抗病研究权威科学家美国科学院院士Jeffery Dangl和英国皇家学会会员、美国科学院院士Jonathan Jones看来:“首个抗病小体的发现,为植物如何控制细胞死亡和免疫提供了线索,显著地推进了人们对植物免疫机制的认识,打开了多个开拓性研究方向。”

  成果应用

  新型抗病虫育种

  减少化学农药使用

  在农业生产领域,利用抗病蛋白,设计新型抗病虫育种,将大大减少化学农药的施用。抗病蛋白高分辨度结构和作用机制的解析,将为设计抗广谱、持久的新型抗病蛋白,发展绿色农业奠定了核心理论基础。

  “该项研究填补了人们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。”周俭民告诉记者,各种农作物病虫害严重威胁农业生产。为了减少损失,农业生产中不得不大量施用化学农药,但这又对环境、人类健康、和农业可持续发展带来了挑战。而抗病蛋白发现病菌后,可以迅速启动植物防卫反应,杀死病菌,从而保护植物免受侵害。利用抗病蛋白,发展新的病虫害防控手段,将大大减少化学农药的施用。

  他说,未来这项技术既可以应用于农作物的“育种”阶段,培育出可以抗病害的农作物。也可以用于制作“干扰剂”,在农作物生长过程中使用,增强对病害的抵御能力,“目前研究看,这项技术应用到茄子、辣椒、西红柿以及油菜等果蔬相对简单,并且容易操作,相对比较容易在短期内就造福我们的生活。”