艾德思：揭秘植物如何在与病菌的斗争中取胜

　植物具有复杂/精细调控的免疫系统,用于识别病原微生物/激活防卫反应,从而保护自己免受侵害.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.抗病蛋白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.清华大学柴继杰团队/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王宏伟团队最近的联合研究,在植物免疫研究领域取得重大突破.合作团队发现由抗病蛋白组成的抗病小体并解析其电镜结构,从而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子机制,为更好利用抗病蛋白提供了新的可能.相关成果以两篇长文(Research Article)形式,于4月5日发表在国际学术期刊<科学>(Science,Wang et al., 2019a, b).Science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撰写的题为High five: a pentangular plant inflammasome 的专文评述,高度评价这一成果. 两篇论文分别是:

在Science杂志同期专文评述中,国际植物抗病研究权威科学家Jeffery Dangl和Jonathan Jones对这一成果给予高度评价:"首个抗病小体的发现,为植物怎样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Xin Li(李昕)等人题为<开启防御之门:植物抗病小体'>的专文评述,认为该项成果"完成了植物NLR蛋白复合物的组装/结构和功能分析,揭示了NLR作用的关键分子机制,是植物免疫研究的里程碑事件'.

这两篇论文的第一单位分别是中科院遗传发育所和清华大学;共同第一作者均为清华大学博士后/遗传发育所植物基因组学国家重点实验室访问研究人员王继纵/清华大学博士后王家与遗传发育所植物基因组学国家重点实验室博士生胡梅娟.

柴继杰/周俭民与王宏伟为两篇文章的共同通讯作者.该项研究得到中科院B类先导专项"作物病虫害的导向性防控－生物间信息流与行为操纵'和国家自然基金创新群体项目"植物响应生物胁迫的机理'等的支持.

以下内容转载自"中科院之声',由这两篇Science的共同一作胡梅娟创作

我们生活的环境中充满了各种病原微生物,如细菌/真菌/病毒等.当这些病原微生物入侵时,我们体内的免疫系统可以通过多种途径发现并消灭入侵者,从而保护我们的身体健康.植物同样面临着各种病原微生物的侵袭.那么,它们是怎样保护自己的呢?

科学家发现,植物在漫长的进化过程中也"修炼'出了完备的防御系统,可以对病原微生物的入侵奋起反抗.

植物表皮是植物保护自己的一道重要屏障,它就像我们人体表面的皮肤,对各种微生物具有物理阻挡作用.但许多病原菌能突破这道屏障,进入植物体内,在植物细胞间隙中夺取营养并增殖.不过,植物并不会坐以待毙,它们具有强大的免疫系统可以对病原菌做出抵抗.

植物免疫系统的关键:抗病蛋白

植物细胞表面有许多称为"受体'的蛋白,它们是植物免疫系统的第一道防线.这些受体蛋白可以识别来自病原菌的分子,从而调动细胞内的防御系统来抵抗病原菌.但是在与植物长期的斗争中,病原菌变得越来越狡猾,它们进化出了针对植物防御系统的毒性蛋白.这些毒性蛋白可以直接被分泌到植物细胞内,精准破坏植物防御系统的关键蛋白,从而抑制植物免疫反应.

然而,魔高一尺道高一丈,在与病原菌的长期斗争中,植物也逐渐进化出了由"抗病蛋白'组成的第二道防线.抗病蛋白可以识别病原菌分泌的毒性蛋白,重新激活免疫反应.有的抗病蛋白与植物细胞内的"诱饵'蛋白相配合,巧妙地"引诱'毒性蛋白上钩,当毒性蛋白破坏"诱饵'蛋白时,可以激活抗病蛋白,从而触发免疫反应.

诱饵模型工作原理

数目庞大的抗病蛋白是植物监控病虫侵害的哨兵,也是植物动员防卫系统的指挥官,它们在抵御各种病虫入侵中发挥了关键作用.然而,自从25年前国际上首次被鉴定以来,抗病蛋白仍是"谜'一般的存在,人们一直不清楚它们的工作原理.抗病蛋白理论研究的巨大瓶颈在于,全长蛋白质三维结构的解析和功能复合体的组装无法完成.由于抗病蛋白发挥功能的核心机制一直没能解答,制约了人们对抗病蛋白在农作物育种中的应用.

揭开抗病蛋白作用的秘密

近期,来自清华大学和中国科学院遗传与发育生物学研究所的团队就"绘出'了抗病蛋白的本来"模样',揭开了抗病蛋白行使功能的秘密.他们发现,受到细菌毒性蛋白破坏的"诱饵'蛋白会引起抗病蛋白发生一系列构象改变,并聚合形成一个环状五聚体蛋白机器,命名为"抗病小体'.如下图所示:

抗病小体能对植物防御系统发出强大的动员命令,并在植物细胞膜上发出自杀指令,让受到感染的少数植物细胞和入侵的病原菌同归于尽,从而阻止病原菌扩散,保护其他健康细胞.令人惊叹的是,抗病小体与人类免疫中的炎症小体的形成机制和作用极为相似,因此,对研究动物天然免疫也有借鉴意义.

这项工作填补了人们对植物免疫系统认知的空白,为研究其他抗病蛋白提供了范本.有专家表示,这是植物抗病研究的一个里程碑事件,对植物抗病虫害研究将发挥深远影响.

每年农作物病虫害发生造成严重的粮食减产,为了减少损失,人们不得不施用化学农药,而农药的大量施用对环境造成了严重破坏,同时也威胁了人类的健康.因此,培育抗病虫农作物,减少农药施用量具有重要的现实意义.抗病蛋白在植物中数量庞大,怎样有效利用抗病蛋白培育抗病品种是摆在科学家面前的一道难题.这一研究发现为抗病育种提供了核心的理论基础,可以帮助人们更好地利用抗病蛋白设计具有广谱/持久抗性的农作物,从而减少农药施用,保护生态环境和人类健康,促进农业可持续发展.

参考文献:

Jizong Wang et al., (2019), Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex, Science, DOI: 10.1126/SCIence.aav5868

Jizong Wang et al., (2019), Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity, Science, DOI: 10.1126/SCIence.aav5870

Jeffery L. Dangl and Jonathan D. G. Jones, (2019), A pentangular plant inflammasome, Science, DOI:

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