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植物免疫研究重大突破!我国科学家发现植物抗病小体

发布时间:2019年04月08日16:16 来源: 新华网

图为五聚抗病小体结构。分别显示顶部(左)和侧面(右)视图。中科院供图

新华网北京4月7日电(王莹)科学研究表明,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。然而,抗病蛋白被发现已有二十多年,人们仍然不清楚它们的工作原理。近日,由3位中国科学家领衔的联合研究团队,在国际上率先破解了这一难题,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,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。相关成果在国际学术期刊《自然》上发表。

该项成果的共同通讯作者、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员周俭民介绍,抗病蛋白理论研究的一个巨大瓶颈在于缺乏蛋白质结构。自25年前国际上首次鉴定到抗病蛋白以来,多个国际顶尖实验室均未能纯化出可供结构分析的全长抗病蛋白质。“抗病蛋白的构成复杂、分子量大、且构象多变,对解析其结构带来了极大困难。”周俭民说。

据介绍,近年来,清华大学柴继杰团队在动物炎症小体结构研究中取得了突破。“由于炎症小体的蛋白质与植物抗病蛋白具有诸多相似性,这些研究为解析植物抗病蛋白结构积累了有益经验。”作为该项成果的另一位通讯作者,柴继杰教授告诉记者。

周俭民团队和柴继杰团队通过合作,在2007-2008年提出了植物与病原细菌间攻防的“诱饵模型”并提供了初步证据。随后,周俭民团队通过对病原菌免疫逃逸分子机制和植物免疫系统关键组分的解析,发现了多个支持“诱饵模型”的分子证据,并在2012年和2015年的两项工作中,发现了病原细菌和植物之间令人惊叹的攻防策略,并鉴定到了后期组装抗病小体所需的完整组份。

“病原细菌的一个致病蛋白AvrAC精准破坏植物免疫系统中的关键组分,帮助细菌侵染植物寄主;而植物则利用特殊的“诱饵”蛋白,感知AvrAC的活动并将信息传递给植物抗病蛋白ZAR1,迅速激活免疫反应,清除细菌。”周俭民说。

与此同时,清华大学王宏伟团队长期致力于冷冻电镜方法学的研究、提高和改善,对蛋白质的高分辨率冷冻电镜重构一直是该团队的研究焦点和特长,这为解析抗病蛋白结构解析提供了强有力的技术支撑。

三个团队经过多年协作攻关,成功组装了包含激活ZAR1的复合物,即抗病小体。结构研究发现,ZAR1被AvrAC激活后,组装成含三个亚基共15个蛋白的环状五聚体蛋白机器,形成抗病小体。通过对静息态复合物的结构和功能解析,阐明了抗病蛋白由静息状态,经过中间状态,最终形成抗病小体的生化过程。合作团队紧密结合结构、生化、和功能研究,揭示了抗病小体工作机制。“比如,抗病小体形成时弹出一个死亡开关,直接在细胞质膜上发出自杀指令,很可能是激活植物免疫反应的关键。”周俭民补充道。

该项工作填补了人们25年来对抗病蛋白认知的巨大空白,为研究其它抗病蛋白提供了范本。“各种农作物病虫害,严重威胁农业生产。利用抗病蛋白,发展新的病虫害防控手段,将大大减少化学农药的施用。抗病蛋白高分辨度结构和作用机制的解析,将为设计抗广谱、持久的新型抗病蛋白,发展绿色农业奠定重要理论基础。”周俭民告诉记者。

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