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我国科学家联合攻关取得重大研究成果 抗病小体揭示植物免疫秘密

发布日期:2020-10-16 01:25浏览次数:
核心读者农作物病害是农业生产的极大威胁。以往,大量用药化学农药又带给了农业面源污染。能否在维护作物的同时,较少打药或不打药?近日,我国科学家公开发表的一项根本性研究成果,说明了了植物免疫系统的工作原理,未来将会发展出有新的植物以防病害手段,提升农作物自身外用病虫害的能力。  日前,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牵头在植物免疫系统研究领域获得历史性重大突破,找到了首个“抗病小体”,并顺利解析其起到机理,为研究植物如何掌控细胞死亡和免疫系统获取了最重要线索。该成果于北京时间4月5日在国际权威学术期刊《科学》公开发表。今年中央一号文件明确提出,增大农业面源污染管理力度,积极开展农业节肥节药行动,构建化肥农药使用量负增长。而我国科学家的这一根本性找到意味著,利用这个“抗病小体”,人们可以想方设法更佳提高植物免疫力,还能“从头到脚”地去设计更加强劲的抗病虫农作物。农作物自身抗病能力提升了,化学农药的施用量大自然就不会大大减少。植物自身具备免疫力,抵挡来自病毒、细菌等肆虐同动物一样,植物在茁壮过程中,也不会大大受到来自病毒、细菌、真菌、昆虫等的肆虐。植物虽然无法像动物那样移动逃离,但也不是逆来顺受,“任人宰割”。在漫长的演化过程中,植物“修练”出有了完善的免疫系统,需要对这些侵略展开镇压,从而维护自己免遭侵犯。在植物启动免疫系统展开防卫的过程中,植物细胞内数目众多的抗病蛋白扮演着至关重要的角色。

我国科学家联合攻关取得重大研究成果 抗病小体揭示植物免疫秘密

它们既是监控病虫侵犯的哨兵,也是动员植物防御系统的指挥官。因此,要想要提高植物自身的免疫力,首先必需得搞清楚抗病蛋白的工作原理和机制。然而,这项工作十分困难。从25年前首个抗病蛋白被找到到现在,人们依然没有能说明了其中的奥秘。“抗病蛋白的包含简单、分子量大且构象多变,对解析其结构带给了很大艰难。”周俭民说道,“25年来,多个国际顶尖实验室都没能密码原始的抗病蛋白结构。”抗病蛋白结构为何如此最重要?它需要告诉他我们什么?周俭民说道:“比如,抗病蛋白的活性该如何管控?抗病蛋白是不是需要构成一个强劲的防卫机器?这个机器是如何充分发挥功能的?这些都能从蛋白质结构中寻找线索。”尽管抗病蛋白结构的难题多年仍未突破,但各国科学家仍坚持不懈。柴继杰团队和周俭民团队十几年来长年合作,仍然以此居多攻打方向。周俭民团队和柴继杰团队的早期合作找到了植物与细菌攻守的线索,并明确提出了植物与病原细菌间攻守的“诱饵模型”;周俭民团队更进一步找到了一系列新的实验证据,完备了这个模型。抗病蛋白工作原理的谜样面纱于是以一点点被推到。我国科学家顺利说明了植物抗病蛋白工作原理一个巨变经常出现在2012年至2015年。在此间的两项工作中,周俭民团队找到了病原细菌和植物之间令人惊叹的攻守策略。即病原细菌的一个病原蛋白AvrAC在精准毁坏植物免疫系统中的关键部分之后,协助细菌侵染植物宿主。而与此同时,植物则利用类似的“诱饵”蛋白,感官到了这个病原蛋白的活动并将信息传送给了植物抗病蛋白ZAR1,很快转录了免疫反应,清理细菌。“植物细胞表面有许多受体,它们是植物的第一道防线,一般能辨识出有细菌,并调动细胞内的防卫系统来抵抗它。但阴险的细菌可会只能战败,而是不会向植物细胞内分泌毒性蛋白,利用类似化学反应精准毁坏植物防卫系统的关键蛋白。”周俭民说道,不过,也别过于担忧,植物在长年的斗争中显得更为高明,演化出有由抗病蛋白和诱饵蛋白构成的第二道防线,愚弄细菌的毒性蛋白,等毒性蛋白毁坏诱饵蛋白时,不会很快转录抗病蛋白。根据“诱饵模型”,毒性蛋白毁坏“诱饵”蛋白时,不会引发抗病蛋白再次发生一系列构象转变,沦为激活状态的抗病蛋白。但其中明确的分子过程、这个活性状态的抗病蛋白是什么样的,必须从蛋白结构中去找寻答案。另一个巨变经常出现在2015年至2017年。柴继杰团队在动物炎症小体结构研究中获得了突破。由于炎症小体的蛋白质与植物抗病蛋白具备诸多相似性,这些研究为解析植物抗病蛋白的结构累积了宝贵的经验。有了理论基础和实验生物学体系,还必须强有力的技术承托。于是,以冷冻电镜方法学研究著称的清华大学王宏伟团队受邀重新加入。之后,又经过多年协作研制成功,3个团队再一于近日顺利地装配了包括ZAR1转录的抗病小体。周俭民说道:“结构研究找到,抗病蛋白ZAR1被细菌蛋白AvrAC转录后,装配成含3个亚基共15个蛋白的环状五聚体蛋白机器,我们把它命名为抗病小体。”紧接着,牵头团队又说明了了抗病小体的工作机制。比如,抗病小体构成后通过一个丧生电源,必要在细胞质膜上收到自杀身亡指令,很有可能是植物细胞死亡和免疫系统的执行者。“抗病小体让受到感染的植物细胞与细菌同归于尽,从而维护其它身体健康细胞。”周俭民说道。利用抗病蛋白,精准防控病害学界仍然指出“抗病小体”应当不存在,但根本没有人找到过,更加不告诉它宽啥样。此次首个“抗病小体”的找到空缺了人们25年来对抗病蛋白理解的空白,为研究其它抗病蛋白获取了范本。

我国科学家联合攻关取得重大研究成果 抗病小体揭示植物免疫秘密

与此同时,利用抗病蛋白,发展新的病虫害防控手段,以及更佳地设计抗病虫农作物,将不会大大减少化学农药的用药,从而保护环境。中科院院士李家洋指出这项成果不仅在科学理解上获得了根本性的突破,同时也在农业生产上具备普遍的应用于前景。中科院院士康乐指出,这项成果最重要的是转变了植物以防病害的思路,更加精准。在《科学》杂志同期专文体育节目中,国际植物抗病研究权威科学家杰弗里·丹格(Jeffery Dangl)和乔纳森·琼斯(Jonathan Jones)对这一根本性突破性成果给与高度评价:“首个抗病小体的找到,为植物如何掌控细胞死亡和免疫系统获取了线索。”2015年,我国在全国范围内开始积极开展“农药零增长”行动,目标是到2020年力争构建农药用于总量零增长。令人惊艳的是,2017年就构建农药零增长目标,比原计划提早了3年。好成绩的获得,是大力推展实行生物、物理预防等绿色防控措施,科学用于农药的结果。其中,抗病分子选育就是一个主要绿色防控手段。此次抗病小体的找到,也将不会很大推展传统抗病分子选育方式的改良升级。传统抗病分子选育,首先必须检验抗病种质资源,然后将其中的抗病基因通过传统杂交方式引入优良品种中去。周俭民说道:“这种方式不存在的问题就是选育周期长,外用普窄,追不上病虫变异的速度。所以,抗病品种常常是还在生产过程中就迅速丧失了抗病起到。”现在,更加精准的抗病分子选育,能让选育周期大大缩短,也有可能大幅度增加农药的用量。康乐回应,“当我们搞清楚了抗病小体的工作机理,就能针对有所不同病毒,更加精准设计出有抗病蛋白,让农作物更加便利地取得某种抗病性。