人有免疫力，植物有免疫力嗎？答案是肯定的，看似嬌弱的花花草草，可能遠(yuǎn)比你想象中來得堅(jiān)強(qiáng)。植物具有復(fù)雜、精細(xì)調(diào)控的免疫系統(tǒng)，可植物抗病蛋白被發(fā)現(xiàn)至今已經(jīng)20多年了，人們卻仍然不清楚它們的工作原理。

據(jù)科學(xué)網(wǎng)4月6日消息，這一謎題在4月5日得以揭開。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所與清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作，在植物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)了由抗病蛋白組成的抗病小體并解析其電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機(jī)制。相關(guān)成果在《科學(xué)（Science）》雜志上在線發(fā)表。

擬南芥 圖丨山西省農(nóng)科院

農(nóng)藥困境

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，但人多地少的現(xiàn)狀，讓中國成為農(nóng)業(yè)病蟲害最為嚴(yán)重的國家之一。有統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，為了控制病害，中國農(nóng)藥施用量占到了全球總量的三分之一，帶來了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境和食品安全問題。

這也愁煞了中國的育種學(xué)家。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院院長王源超坦言，中國的育種學(xué)家“一直在拼命地育種，但新品種用個(gè)三五年，抗性就消失了，似乎總也追不上病原菌的變異速度”。

在中科院遺傳發(fā)育所研究員周儉民看來，要減少農(nóng)藥的使用，提高植物自身的免疫力，可能才是最關(guān)鍵的那把“鑰匙”。

這讓科學(xué)家將目光聚焦在植物細(xì)胞中存在的數(shù)目眾多的抗病蛋白上?？共〉鞍准仁潜O(jiān)控病蟲侵害的“哨兵”，也是動(dòng)員植物防衛(wèi)系統(tǒng)的“指揮官”。

從2004年起，周儉民與清華大學(xué)教授柴繼杰團(tuán)隊(duì)合作，開始研究植物與病菌“攻防戰(zhàn)”中的關(guān)鍵科學(xué)問題，并首次在世界上提出了“誘餌模型”的觀點(diǎn)。

“我們認(rèn)為，植物的抗病蛋白就像一個(gè)老鼠夾子，誘餌蛋白就像夾子上的奶酪，當(dāng)‘老鼠’聞著奶酪味過來時(shí)，夾子就會一下子把它抓住。”周儉民說

然而，由于該理論與當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)大相徑庭，大約有5年時(shí)間，這一觀點(diǎn)并沒有被學(xué)界廣泛接受。周儉民說，那時(shí)候，甚至連“學(xué)生發(fā)論文都受到了影響”。

誰發(fā)出了“自殺”指令？

周儉民團(tuán)隊(duì)沒有放棄。在中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持下，他和同事持續(xù)收集新的證據(jù)，他們愈發(fā)相信，植物和病原細(xì)菌之間存在著令人驚嘆的攻防策略。

在另一條路上，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)也在不斷向前推進(jìn)。抗病蛋白理論研究的一個(gè)巨大瓶頸在于缺乏蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，20多年來，多個(gè)國際頂尖實(shí)驗(yàn)室均折戟于此。

這恰恰正是柴繼杰團(tuán)隊(duì)的主攻方向，他們曾在動(dòng)物炎癥小體結(jié)構(gòu)研究中取得突破，這種蛋白與植物抗病蛋白有諸多相似性；清華大學(xué)教授王宏偉團(tuán)隊(duì)則長期致力于冷凍電鏡方法學(xué)的研究，為抗病蛋白結(jié)構(gòu)解析提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合之下，謎團(tuán)終于揭開。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，擬南芥的抗病蛋白感知到病菌后，會組裝成一個(gè)環(huán)狀的五聚體蛋白“機(jī)器”，形成抗病小體?？共⌒◇w的中間有個(gè)“鉆頭”，它能夠“刺破”染病的細(xì)胞膜，以“自殺”的方式與病菌“同歸于盡”。也就是說，抗病小體很可能是植物細(xì)胞死亡和免疫的執(zhí)行者。

五聚抗病小體結(jié)構(gòu)。分別顯示頂部(左)和側(cè)面(右)視圖。中科院遺傳發(fā)育所供圖

“我們還發(fā)現(xiàn)，植物抗病小體的組裝方式、結(jié)構(gòu)與功能，與動(dòng)物免疫中的炎癥小體驚人地相似，這展現(xiàn)了在不同生命形式中，進(jìn)化對免疫形成的力量?！敝軆€民說。

“鉆石”何時(shí)發(fā)光？

中國學(xué)者的這一發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了25年來人們對抗病蛋白認(rèn)知的空白。英國皇家學(xué)會會士、歐洲科學(xué)院院士Sophien Kamoun認(rèn)為，中國學(xué)者提出的“自殺開關(guān)”模型非常新，會給植物免疫領(lǐng)域帶來很多啟示。

中科院院士康樂則形容抗病小體的結(jié)構(gòu)“非常漂亮，就像一枚鉆石組成的首飾。這說明在進(jìn)化的作用下，生物一定是簡約、美麗的”。

當(dāng)然，更多人關(guān)心的還是這項(xiàng)成果能否應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。因?yàn)槔每共〉鞍装l(fā)展新的病蟲害防控手段，毫無疑問將大大減少化學(xué)農(nóng)藥的施用。而抗病蛋白高分辨度結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制的解析，也將為設(shè)計(jì)抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)奠定核心的理論基礎(chǔ)。

在中科院院士、中科院遺傳發(fā)育所研究員李家洋看來，在國際上率先提出、發(fā)現(xiàn)抗病小體，是中國學(xué)者對植物科學(xué)的重大貢獻(xiàn)。“未來通過分子設(shè)計(jì)育種等手段，相信這項(xiàng)成果也將為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來廣闊的應(yīng)用前景?！?

抗病小體這塊“鉆石”何時(shí)才能發(fā)光，也許科學(xué)家們還無法給出一個(gè)確切的答案。但至少，未來可期。