植物具有復(fù)雜、精細(xì)調(diào)控的免疫系統(tǒng)，用于識別病原微生物、激活防衛(wèi)反應(yīng)，從而保護自己免受侵害。植物細(xì)胞內(nèi)數(shù)目眾多的抗病蛋白，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。抗病蛋白被發(fā)現(xiàn)至今已有二十多年，但人們?nèi)匀徊磺宄鼈兊墓ぷ髟怼Ｇ迦A大學(xué)柴繼杰團隊、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周儉民團隊和清華大學(xué)王宏偉團隊最近的聯(lián)合研究，在植物免疫研究領(lǐng)域取得重大突破。合作團隊發(fā)現(xiàn)由抗病蛋白組成的抗病小體并解析其電鏡結(jié)構(gòu)，從而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機制，為更好利用抗病蛋白提供了新的可能。相關(guān)成果以兩篇長文(Research Article)形式，于4月5日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science，Wang et al., 2019a, b)。Science雜志同期發(fā)表了國際植物抗病研究權(quán)威科學(xué)家Jeffery Dangl和Jonathan Jones撰寫的題為High five: a pentangular plant inflammasome 的專文評述，高度評價這一成果。
抗病蛋白理論研究的一個巨大瓶頸在于缺乏蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。這正是柴繼杰團隊2004年以來的主攻方向?？共〉鞍讟?gòu)成復(fù)雜、分子量大、構(gòu)象多變，對解析其結(jié)構(gòu)帶來了極大困難。自從25年前國際上首次鑒定到抗病蛋白以來，多個國際頂尖實驗室均未能純化出可供結(jié)構(gòu)分析的全長抗病蛋白質(zhì)。柴繼杰團隊近年在動物炎癥小體結(jié)構(gòu)研究中取得了突破 (Hu et al., 2015; Yang et al., 2017)。由于炎癥小體的蛋白質(zhì)與植物抗病蛋白具有諸多相似性，這些研究為解析植物抗病蛋白結(jié)構(gòu)積累了寶貴經(jīng)驗。
周儉民團隊和柴繼杰團隊通過合作，早在2007-2008年提出了植物與病原細(xì)菌間攻防的“誘餌模型”并提供了初步證據(jù)(Xing et al., 2007, Xiang et al., 2008; Zhou and Chai, 2008)。周儉民團隊通過對病原菌免疫逃逸分子機制和植物免疫系統(tǒng)關(guān)鍵組分的解析，發(fā)現(xiàn)了多個支持“誘餌模型”的分子證據(jù) (Zhang et al., 2010; Feng et al., 2012; Wang et al., 2015)， 并在2012年和2015年的兩項工作中，發(fā)現(xiàn)了病原細(xì)菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略。病原細(xì)菌的一個致病蛋白AvrAC精準(zhǔn)破壞植物免疫系統(tǒng)中的關(guān)鍵組分，幫助細(xì)菌侵染植物寄主；而植物則利用特殊的“誘餌”蛋白，感知AvrAC的活動并將信息傳遞給植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活免疫反應(yīng)，清除細(xì)菌。兩個團隊多年的合作、經(jīng)過長期積累形成的理論和實驗體系，為后期進一步合作奠定了堅實基礎(chǔ)。王宏偉團隊長期致力于冷凍電鏡方法學(xué)的研究、提高和改善，對蛋白質(zhì)的高分辨率冷凍電鏡重構(gòu)一直是該團隊的研究焦點和特長，這為解析抗病蛋白結(jié)構(gòu)解析提供了強有力的技術(shù)支撐。
在上述研究的基礎(chǔ)上，三個團隊進一步合作，以AvrAC與ZAR1為體系研究植物抗病蛋白結(jié)構(gòu)。經(jīng)過多年協(xié)作攻關(guān)，成功地組裝了包含激活ZAR1的復(fù)合物 (抗病小體，resistosome)。結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，ZAR1被AvrAC激活后，組裝成含三個亞基共15個蛋白的環(huán)狀五聚體蛋白機器，形成抗病小體 (圖1)。通過對靜息態(tài)復(fù)合物的結(jié)構(gòu)和功能解析，闡明了抗病蛋白由靜息狀態(tài)，經(jīng)過中間狀態(tài)，最終形成抗病小體的生化過程。合作團隊緊密結(jié)合結(jié)構(gòu)、生化和功能研究，揭示了抗病小體工作機制。比如，抗病小體形成后直接在細(xì)胞質(zhì)膜上發(fā)出自殺指令，很可能是植物細(xì)胞死亡和免疫執(zhí)行者。該項工作填補了人們25年來對抗病蛋白認(rèn)知的巨大空白，為研究其它抗病蛋白提供了范本。研究還發(fā)現(xiàn)，植物抗病小體的組裝方式、結(jié)構(gòu)與功能，與動物免疫中的炎癥小體驚人地相似，展現(xiàn)了在不同生命形式中，進化對免疫形成的力量。
在Science雜志同期專文評述中，國際植物抗病研究權(quán)威科學(xué)家Jeffery Dangl和Jonathan Jones對這一成果給予高度評價：“首個抗病小體的發(fā)現(xiàn)，為植物如何控制細(xì)胞死亡和免疫提供了線索”。《植物學(xué)報》同時發(fā)表國際著名植物抗病專家Xin Li（李昕）等人題為《開啟防御之門：植物抗病小體”》的專文評述，認(rèn)為該項成果“完成了植物NLR蛋白復(fù)合物的組裝、結(jié)構(gòu)和功能分析，揭示了NLR作用的關(guān)鍵分子機制，是植物免疫研究的里程碑事件”。
各種農(nóng)作物病蟲害，嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為了減少損失，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不得不大量施用化學(xué)農(nóng)藥，但這又對環(huán)境、人類健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。在保護作物的同時，減少化學(xué)農(nóng)藥的施用，成為擺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和科學(xué)家面前的一道難題。解決這一問題的關(guān)鍵，就存在于植物細(xì)胞中—植物細(xì)胞內(nèi)數(shù)目眾多的抗病蛋白。這些蛋白發(fā)現(xiàn)病菌后，迅速啟動植物防衛(wèi)反應(yīng)，殺死病菌，從而保護植物免受侵害。利用抗病蛋白，發(fā)展新的病蟲害防控手段，將大大減少化學(xué)農(nóng)藥的施用?？共〉鞍赘叻直娑冉Y(jié)構(gòu)和作用機制的解析，將為設(shè)計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)奠定核心理論基礎(chǔ)。
清華大學(xué)博士后、遺傳發(fā)育所植物基因組學(xué)國家重點實驗室訪問研究人員王繼縱、清華大學(xué)博士后王家與遺傳發(fā)育所植物基因組學(xué)國家重點實驗室博士生胡梅娟為其中一篇論文的共同第一作者(Wang et al., 2019a)；王繼縱、胡梅娟和王家為另一篇論文的共同第一作者(Wang et al., 2019b)。柴繼杰、周儉民與王宏偉為兩篇論文的共同通訊作者。該項研究得到中科院B類先導(dǎo)專項“作物病蟲害的導(dǎo)向性防控－生物間信息流與行為操縱”和國家自然基金創(chuàng)新群體項目“植物響應(yīng)生物脅迫的機理”等的支持。
論文信息：
Wang J#, Wang J#, Hu M#, Qi J, Wu S, Wang G, Han Z, Qi Y, Gao N, Wang HW*, Zhou JM*, Chai J*(2019a). Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex. Science, vol: pages
Wang J#, Hu M#, Wang J#, Qi J, Han Z, Wang G, Qi Y, Wang HW*, Zhou JM*, Chai J* (2019b).Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferring immunity. Science, vol: pages
五聚抗病小體結(jié)構(gòu)。分別顯示頂部(左)和側(cè)面(右)視圖。
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