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中国科学家发现植物细胞“自杀神器”

记者从中国科学院获悉,近日,我国科学家在植物免疫研究领域取得历史性的重大突破。研究首次发现植物细胞内存在一种“自杀神器”。它就是植物免疫关键因子——抗病蛋白组成的形似“风火轮”的抗病小体。研究成功解析了抗病小体的电镜结构,从分子层面上揭示了抗病蛋白管控和激活的核心机制。

这一发现,为更好地利用抗病蛋白提供了新的可能。“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。”中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李家洋院士说,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。

该研究由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柴继杰团队、王宏伟团队联合完成。相关成果以两篇长文形式,于2019年4月5日发表在国际权威学术期刊《科学》上。

像动物一样,植物在生长过程中也会不断受到病毒、细菌、真菌、昆虫的侵袭。周俭民告诉记者,经过漫长的进化,植物逐渐发展出一套复杂、精细的免疫系统,能够对这些入侵奋起反抗。其中的关键角色——抗病蛋白,作为监控病虫侵害的哨兵和动员植物防卫系统的指挥官,被发现至今已有二十多年,但人们仍然不清楚它们的工作原理。

周俭民团队在2008年提出了植物抗病的“诱饵模型”假说。此后的持续研究,又发现了多个支持“诱饵模型”的分子证据,以及病原细菌和植物之间令人惊叹的攻防策略:病原细菌是通过向宿主发送“致病蛋白”来精准破坏植物的免疫力;而植物则利用特殊的“诱饵蛋白”,感知到致病蛋白的活动并将信息传递给植物的抗病蛋白,迅速激活免疫反应,清除细菌。

抗病蛋白被激活后,又是如何工作的呢?柴继杰团队十几年来长期致力于破解抗病蛋白结构这一世界难题,并在近年在解析与植物抗病蛋白相似的炎症小体结构中取得突破。这为解析植物抗病蛋白打下了基础。这次,三个科学团队各展所长、通力合作,终于利用先进的冷冻电镜方法,“看”到了抗病小体漂亮的“风火轮”结构。

与此同时,植物抗病的神奇过程也获得全面解析:被激活的抗病蛋白5个一组抱团形成“抗病小体”,作用于细胞膜后,引导受感染细胞“自杀”并与病菌同归于尽,以保护其他健康细胞不受感染。

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地相似,展现了在不同生命形式中,进化对免疫形成的力量。

研究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,揭示了抗病小体的工作机制。该项工作填补了人们25年来对植物抗病蛋白认知的空白,为研究其它抗病蛋白提供了范本。

《科学》杂志同期发表了国际植物抗病研究权威科学家Jeffery Dangl和Jonathan Jones撰写的专文评述,高度评价这一重大突破性成果:“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”。《植物学报》同时发表国际著名植物抗病专家李昕等人的专文评述,将该项成果称作“是植物免疫研究的里程碑事件”。

英国皇家学会会士、欧洲科学院院士Kamoun教授甚至拍了一个短视频来表达自己的兴奋之情。他在视频中说,“这真是一个令人震惊和漂亮的结构。更让人振奋的是,他们提出了一个我们领域从未有过的全新模型,将会给植物免疫领域带来很多启示。”

五聚抗病小体结构,顶部(左)和侧面(右)视图

责任编辑:陈佳莉

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  • 2019-04-15 17:46

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