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，可能遠比你想象中來得堅強。植物具有復雜、精細調控的免疫系統(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。中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所與清華大學的研究團隊合作，在植物體內發(fā)現(xiàn)了由抗病蛋白組成的抗病小體并解析其電鏡結構，揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機制。相關成果在《科學(Science)》雜志上在線發(fā)表。

擬南芥 圖丨山西省農科院

農藥困境

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

這也愁煞了中國的育種學家。南京農業(yè)大學植物保護學院院長王源超坦言，中國的育種學家“一直在拼命地育種，但新品種用個三五年，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，要減少農藥的使用，提高植物自身的免疫力，可能才是最關鍵的那把“鑰匙”。

這讓科學家將目光聚焦在植物細胞中存在的數(shù)目眾多的抗病蛋白上。抗病蛋白既是監(jiān)控病蟲侵害的“哨兵”，也是動員植物防衛(wèi)系統(tǒng)的“指揮官”。

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

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

然而，由于該理論與當時的主流觀點大相徑庭，大約有5年時間，這一觀點并沒有被學界廣泛接受。周儉民說，那時候，甚至連“學生發(fā)論文都受到了影響”。

誰發(fā)出了“自殺”指令？

周儉民團隊沒有放棄。在中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的支持下，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，清華大學團隊也在不斷向前推進。抗病蛋白理論研究的一個巨大瓶頸在于缺乏蛋白質結構，20多年來，多個國際頂尖實驗室均折戟于此。

這恰恰正是柴繼杰團隊的主攻方向，他們曾在動物炎癥小體結構研究中取得突破，這種蛋白與植物抗病蛋白有諸多相似性;清華大學教授王宏偉團隊則長期致力于冷凍電鏡方法學的研究，為抗病蛋白結構解析提供了強有力的技術支撐。

強強聯(lián)合之下，謎團終于揭開。

研究團隊發(fā)現(xiàn)，擬南芥的抗病蛋白感知到病菌后，會組裝成一個環(huán)狀的五聚體蛋白“機器”，形成抗病小體?？共⌒◇w的中間有個“鉆頭”，它能夠“刺破”染病的細胞膜，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胞死亡和免疫的執(zhí)行者。

五聚抗病小體結構。分別顯示頂部(左)和側面(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、結構與功能，與動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，進化對免疫形成的力量。”周儉民說。

“鉆石”何時發(fā)光？

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

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

當然，更多人關心的還是這項成果能否應用于農業(yè)生產。因為利用抗病蛋白發(fā)展新的病蟲害防控手段，毫無疑問將大大減少化學農藥的施用。而抗病蛋白高分辨度結構和作用機制的解析，也將為設計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發(fā)展綠色農業(yè)奠定核心的理論基礎。

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，是中國學者對植物科學的重大貢獻。“未來通過分子設計育種等手段，相信這項成果也將為農業(yè)生產帶來廣闊的應用前景。”

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