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中國科學家發現植物細胞“自殺神器”

來源:人民網 時間:2019-04-08 責任編輯:季飛

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人民網北京4月5日電(趙竹青)記者從中國科學院獲悉,近日,我國科學家在植物免疫研究領域取得歷史性的重大突破。研究首次發現植物細胞內存在一種“自殺神器”。它就是植物免疫關鍵因子——抗病蛋白組成的形似“風火輪”的抗病小體。研究成功解析了抗病小體的電鏡結構,從分子層面上揭示了抗病蛋白管控和激活的核心機制。

這一發現,為更好地利用抗病蛋白提供了新的可能。“利用抗病蛋白,發展新的病蟲害防控手段,將大大減少化學農藥的施用。”中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員李家洋院士說,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,發展綠色農業奠定了核心理論基礎。

該研究由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、王宏偉團隊聯合完成。相關成果以兩篇長文形式,于2019年4月5日發表在國際權威學術期刊《科學》上。

像動物一樣,植物在生長過程中也會不斷受到病毒、細菌、真菌、昆蟲的侵襲。周儉民告訴記者,經過漫長的進化,植物逐漸發展出一套復雜、精細的免疫系統,能夠對這些入侵奮起反抗。其中的關鍵角色——抗病蛋白,作為監控病蟲侵害的哨兵和動員植物防衛系統的指揮官,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。

周儉民團隊在2008年提出了植物抗病的“誘餌模型”假說。此后的持續研究,又發現了多個支持“誘餌模型”的分子證據,以及病原細菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略:病原細菌是通過向宿主發送“致病蛋白”來精準破壞植物的免疫力;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,清除細菌。

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

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個一組抱團形成“抗病小體”,作用于細胞膜后,引導受感染細胞“自殺”并與病菌同歸于盡,以保護其他健康細胞不受感染。

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地相似,展現了在不同生命形式中,進化對免疫形成的力量。

研究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,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知的空白,為研究其它抗病蛋白提供了范本。

《科學》雜志同期發表了國際植物抗病研究權威科學家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:“首個抗病小體的發現,為植物如何控制細胞死亡和免疫提供了線索”。《植物學報》同時發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”。

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


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