為了減少病蟲害給作物造成的損失，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不得不依賴化學(xué)農(nóng)藥，但這又對(duì)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)。如何在保護(hù)作物的同時(shí)，又能減少化學(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。
近日，我國(guó)科學(xué)家研究出的一項(xiàng)重要成果有望解決這一難題。清華大學(xué)柴繼杰團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周儉民團(tuán)隊(duì)和清華大學(xué)王宏偉團(tuán)隊(duì)通過聯(lián)合研究，在植物中發(fā)現(xiàn)由抗病蛋白組成的抗病小體并解析其冷凍電鏡結(jié)構(gòu)，揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機(jī)制。該成果的研究和應(yīng)用有望充分調(diào)動(dòng)植物自身抵御病蟲害的能力，對(duì)于培育抗病蟲農(nóng)作物、大幅減少農(nóng)藥使用量具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
相關(guān)成果日前以兩篇長(zhǎng)文在國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上發(fā)表。這是中國(guó)科學(xué)家在植物免疫研究領(lǐng)域取得的歷史性重大突破，該項(xiàng)科研新成果被國(guó)外同行點(diǎn)贊。中國(guó)工程院院士、西北農(nóng)林科技大學(xué)教授康振生評(píng)價(jià)，這是植物免疫研究領(lǐng)域取得的里程碑式成果，或?qū)⒁I(lǐng)未來植物病理學(xué)和免疫學(xué)的發(fā)展。
和人體內(nèi)有免疫系統(tǒng)一樣，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，植物在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過程中也“修煉”出了完備的免疫防御系統(tǒng)，可以對(duì)病原微生物的入侵奮起反抗。植物免疫系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成就是植物細(xì)胞內(nèi)數(shù)目眾多的抗病蛋白——它們是監(jiān)控病蟲侵害的“哨兵”，也是動(dòng)員植物防衛(wèi)系統(tǒng)的“指揮官”。但抗病蛋白被發(fā)現(xiàn)至今已有25年，人們?nèi)匀徊磺宄涔ぷ髟?，沒能解析抗病蛋白發(fā)揮功能的核心機(jī)制，成為制約其應(yīng)用的巨大瓶頸。
周儉民團(tuán)隊(duì)在2012年和2015年的兩項(xiàng)研究中，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)菌的一種致病蛋白精準(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;而植物則利用特殊的“誘餌”蛋白，感知該致病蛋白的活動(dòng)并將信息傳遞給一種植物抗病蛋白，迅速激活植物的免疫反應(yīng)，清除細(xì)菌。
柴繼杰團(tuán)隊(duì)自2004年以來一直主攻抗病蛋白的的結(jié)構(gòu)解析，王宏偉團(tuán)隊(duì)的研究焦點(diǎn)和特長(zhǎng)是對(duì)蛋白質(zhì)的高分辨率冷凍電鏡重構(gòu)，加上周儉民團(tuán)隊(duì)的深入研究，這為解析抗病蛋白結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。三個(gè)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年協(xié)作攻關(guān)，成功地組裝了包含激活這種植物抗病蛋白的復(fù)合物。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這種抗病蛋白被致病蛋白激活后，組裝成含3個(gè)亞基共15個(gè)蛋白的環(huán)狀五聚體蛋白機(jī)器，形成抗病小體。
抗病小體能對(duì)植物防御系統(tǒng)發(fā)出強(qiáng)大的動(dòng)員命令，并在植物細(xì)胞膜上發(fā)出自殺指令，讓受到感染的少數(shù)植物細(xì)胞和入侵的病原菌同歸于盡，從而阻止病原菌擴(kuò)散，保護(hù)其他健康細(xì)胞。令人驚嘆的是，抗病小體與人類免疫中的炎癥小體的形成機(jī)制和作用極為相似，因此對(duì)研究動(dòng)物天然免疫也有借鑒意義。
“該項(xiàng)研究填補(bǔ)了人們25年來對(duì)抗病蛋白認(rèn)知的空白，為研究其它抗病蛋白提供了范本。”周儉民表示，抗病蛋白發(fā)現(xiàn)病菌后，可以迅速啟動(dòng)植物防衛(wèi)反應(yīng)，殺死病菌，從而保護(hù)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。
周儉民說，未來這項(xiàng)技術(shù)既可以應(yīng)用于農(nóng)作物的育種階段，培育出可以抗病害的農(nóng)作物;也可以用于制作“干擾劑”，在農(nóng)作物生長(zhǎng)過程中使用，增強(qiáng)對(duì)病害的抵御能力。“目前研究看，這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到茄子、辣椒、西紅柿以及油菜等果蔬相對(duì)簡(jiǎn)單，并且容易操作，相對(duì)比較容易在短期內(nèi)就造福我們的生活。”
柴繼杰表示：“植物一般無法移動(dòng)，遭遇病蟲害時(shí)不能像動(dòng)物那樣逃離。盡管體內(nèi)抗病蛋白數(shù)量眾多，但總有防不勝防的疾病來襲，而抗病小體可以組合作戰(zhàn)，使其應(yīng)對(duì)陌生病毒的本領(lǐng)增強(qiáng)了。”而搞清楚抗病小體的工作機(jī)制，對(duì)未來進(jìn)一步展開抗病蛋白的研究是至關(guān)重要的一步。
周儉民也提到，“免疫反應(yīng)過度表達(dá)也會(huì)給植物帶來危害。那么，這個(gè)度在哪里?我們?nèi)绾文軌蚓珳?zhǔn)地控制這個(gè)‘開關(guān)’?這些都還需要下一步的深入研究。”周儉民表示，研究團(tuán)隊(duì)將沿著這個(gè)方向繼續(xù)努力。
