免疫应答 植物免疫系统研究取得重大突破

《科学》文章详细介绍了清华大学和中国科学院的联合科研成果

植物免疫系统研究取得重大突破

本报首席记者许

一种扎根于大地，只有在病虫害侵袭时才能硬耐的植物，发展到今天这样繁荣的一类，是什么样的免疫系统？美国《科学》杂志最近发表了两篇长文，详细介绍了清华大学的柴吉杰和王宏伟以及中国科学院遗传与发育生物学研究所的周建民的重大发现。科学家首次看到植物免疫系统中的重要力量——抗病小体的清晰出现。这项研究成果的预印本一上线，就受到了国际同行的好评。英国皇家学会会员、欧洲分子生物学组织成员Socien Carmon教授表示:“这一研究成果提出了我们领域从未见过的新模式，给植物免疫领域带来了很多启示。”他认为，这一成果不仅为人类了解植物的免疫系统打开了一扇大门，而且对未来的农业也有很大的促进作用。

在过去的15年里，数十名博士生都有“海选”的目标

“病虫害每年都会给我国的粮食生产造成很大的损失，这一成果攻克了植物抗病领域的重大难题！”中国科学院院士、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员李嘉阳抑制不住自己的激动。中国农业科学院植物保护研究所所长周教授也表示，希望这一成果能从根源上提高植物的抗病性，大大减少我国乃至全世界农药的使用。

25年前，植物中的抗病蛋白在世界上首次被发现，人类第一次实现了植物生命中的“双重防御”系统:第一道防线在细胞表面，通过识别病原体的共同特征来敲响免疫警报；第二道防线在牢房里。有些病原体可以蒙混过关，越过第一道防线，将有毒蛋白质注入植物细胞。此时，细胞中的抗病蛋白将被有针对性地识别出来，在“入侵者”被歼灭的同时，“捕获”的细胞将被命令“自杀”，以确保植物的健康。

然而，抗病蛋白是如何被激活并执行任务的？许多国际顶级实验室都想取得突破，但都失败了。

“植物中有很多种抗病蛋白，比如400多种小麦和水稻。”清华大学生命科学学院教授柴说，这些蛋白质体积庞大，结构复杂，平时很少在细胞中发现。只有当掌管他们的外敌入侵时，他们才会被生产出来更多。因此，获得纯化的样品并分析其三维结构更加困难。

柴吉杰在2004年从普林斯顿大学回来后开始解开这个谜团。为了从浩瀚的耐海蛋白质中挑选出理想的研究对象，几十位博士生为此付出了艰辛的努力。直到2013年，抗病蛋白ZAR1才出现在柴吉杰的视线中。中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员周建民也付出了多年的心血。他发现ZAR1可以通过“诱饵”激活。一般来说，大量表达，进入“战斗状态”是可以“骗”的。于是，两个研究组携手清华大学生命科学学院专注于冷冻电镜结构分析的王宏伟教授课题组，开启了打破植物免疫世界迷局的征程。

坚持、积累、运气缺一不可

“要有今天的突破，我觉得最重要的是坚持。”柴说，他一年多没问这个话题了，当时真的觉得没希望了，好像也没办法了。

他们遇到了一个难题:ZAR1有一个“pin”ADP，当有毒病毒拨动这个“pin”时，ZAR1就会被激活。当时，这两篇论文的第一作者、柴的博士生发现，拔掉“插销”后，找不到任何小分子能让它保持活性。“很多时候，你和成功之间隔着一张窗户纸，但你不知道如何打破它。”柴吉杰没有催王继。终于，一年多后，黎明出现了！他们终于找到了正确的分子。“接下来的研究可以说是如破竹一般。”柴说，科学研究就是这样。坚持、积累、运气缺一不可。

事实上，在过去的十年里，有相当多的挫折。例如，如果要在体外激活ZAR1，形成一个复杂的“团队”，就需要在细胞中逐一找到它的“帮手”，并在体外进行匹配。再比如，有些蛋白质非常小，没有高超的冷冻电镜成像技术和独特的算法，也很难完美呈现ZAR1“团队”的形态。

经过不懈的努力，三位科学家多年来梦寐以求的植物抗病蛋白真正的“战斗状态”出现在他们眼前——Zar1被“诱饵”激活，组装成一个包含三个亚基15个蛋白质的环状五聚体蛋白机，就像五角星的Tai 空号飞船。这被科研团队命名为“抗病小体”。

免疫策略，动植物有“共同智慧”

当看到由ZAR1组成的抗病小体时，柴不禁感叹大自然的造化:在适应环境进化的过程中，动植物有着共同的智慧！

此前，科学家发现动物体内的炎性小体也是多种蛋白质的组合，因此他们一直猜测植物抗病蛋白可能也是这种工作模式。没想到，真的猜对了！

柴告诉记者，虽然体内有大量抗病蛋白，但总有难以预防的疾病。抗病蛋白质可以结合起来对抗，这显然让它们在对付奇怪病毒时变得强大了很多。

这一次，三个团队紧密合作，揭示了抗病小体的工作机制。例如，抗病小体形成后，直接在质膜上发出自杀指令，质膜可能是植物细胞死亡和免疫的执行者。这项工作填补了近25年来人们对抗病蛋白认知的巨大空空白，为研究其他抗病蛋白提供了模型。

“当我们了解了抗病蛋白的工作机制后，就可以针对不同的病毒设计抗病蛋白，让农作物更容易获得一定的抗病能力。”柴说，这不仅可以加快养殖速度，还可以大大减少农药用量，减少对环境的影响。李嘉阳表示，希望研究结果尽快应用于分子育种。

　　然而，植物抗病蛋白种类繁多，还有没有不同类型的工作方式？新的抗病蛋白如何设计？科学的“为什么”似乎无穷无尽，这个清华大学与中国科学院的强强组合，还将继续他们的探索。