植物細(xì)胞內(nèi)數(shù)目眾多的抗病蛋白如何監(jiān)控病蟲侵害？又怎樣動(dòng)員植物防衛(wèi)系統(tǒng)開展疾病免疫？這一植物抗病蛋白被發(fā)現(xiàn)20多年來一直困擾學(xué)界的難題，最近已由3個(gè)中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)通過合作研究發(fā)現(xiàn)抗病小體及相關(guān)機(jī)制解析予以成功破解，從而填補(bǔ)了人類對(duì)抗病蛋白認(rèn)知的空白，并為研究其他抗病蛋白提供了范本。
　　中國科學(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)柴繼杰團(tuán)隊(duì)、王宏偉團(tuán)隊(duì)通過最新的聯(lián)合研究，發(fā)現(xiàn)由抗病蛋白組成的抗病小體并通過解析其電鏡結(jié)構(gòu)，成功揭示出抗病蛋白管控和激活的核心分子機(jī)制，從而為更好利用抗病蛋白提供了新的可能。中國科學(xué)家在植物免疫研究領(lǐng)域取得這一歷史性重大突破的相關(guān)成果，北京時(shí)間4月5日凌晨獲國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)以兩篇長文(Research Article)形式發(fā)表。
　　《科學(xué)》雜志同期還發(fā)表國際植物抗病研究權(quán)威科學(xué)家杰弗里﹒丹格(Jeffery Dangl)和瓊納森﹒瓊斯(Jonathan Jones)聯(lián)合撰寫的專文評(píng)述，高度評(píng)價(jià)這項(xiàng)重大突破性成果稱，“首個(gè)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”。同時(shí)，《植物學(xué)報(bào)》也發(fā)表國際著名植物抗病專家李昕等人題為“開啟防御之門：植物抗病小體”的專文評(píng)述，認(rèn)為該項(xiàng)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(jī)制，是植物免疫研究的里程碑事件”。
　　在這項(xiàng)重大成果發(fā)表前夕，中科院、清華大學(xué)分別舉行新聞發(fā)布會(huì)介紹說，植物具有復(fù)雜、精細(xì)調(diào)控的免疫系統(tǒng)，用于識(shí)別病原微生物、激活防衛(wèi)反應(yīng)，從而保護(hù)自身免受侵害。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(dòng)員植物防衛(wèi)系統(tǒng)的“指揮官”。不過，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?。抗病蛋白理論研究的一個(gè)巨大瓶頸在于缺乏蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這正是柴繼杰團(tuán)隊(duì)2004年以來的主攻方向。抗病蛋白的構(gòu)成復(fù)雜、分子量大且構(gòu)象多變，對(duì)解析其結(jié)構(gòu)帶來極大困難。自從25年前國際上首次鑒定抗病蛋白以來，多個(gè)國際頂尖實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)近年在動(dòng)物炎癥小體結(jié)構(gòu)研究中取得突破，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(yàn)。
　　周儉民團(tuán)隊(duì)和柴繼杰團(tuán)隊(duì)通過合作，早在2007-2008年就提出植物與病原細(xì)菌間攻防的“誘餌模型”并提供了初步證據(jù)。周儉民團(tuán)隊(duì)通過對(duì)病原菌免疫逃逸分子機(jī)制和植物免疫系統(tǒng)關(guān)鍵組分的解析，發(fā)現(xiàn)多個(gè)支持“誘餌模型”的分子證據(jù)，并在2012年和2015年的兩項(xiàng)工作中，發(fā)現(xiàn)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(gè)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(dòng)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。這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)通過多年合作及長期積累形成的理論和實(shí)驗(yàn)體系，為后期進(jìn)一步合作奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。王宏偉團(tuán)隊(duì)長期致力于冷凍電鏡方法學(xué)的研究、提高和改善，對(duì)蛋白質(zhì)的高分辨率冷凍電鏡重構(gòu)一直是該團(tuán)隊(duì)的研究焦點(diǎn)和特長，這為解析抗病蛋白結(jié)構(gòu)解析提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
　　在之前研究基礎(chǔ)上，3個(gè)中國科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開展進(jìn)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)，成功組裝了包含激活ZAR1的復(fù)合物(即抗病小體)。結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，ZAR1被AvrAC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。通過對(duì)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(tuán)隊(duì)緊密結(jié)合結(jié)構(gòu)、生化和功能研究，揭示出抗病小體工作機(jī)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。合作團(tuán)隊(duì)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(dòng)物免疫中的炎癥小體驚人的相似，展現(xiàn)了在不同生命形式中，進(jìn)化對(duì)免疫形成的力量。
　　業(yè)內(nèi)專家指，各種農(nóng)作物病蟲害嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，為減少損失，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不得不大量施用化學(xué)農(nóng)藥，但此舉對(duì)環(huán)境、人類健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來挑戰(zhàn)，解決在保護(hù)作物同時(shí)減少化學(xué)農(nóng)藥施用這一難題的關(guān)鍵，就在于植物細(xì)胞內(nèi)數(shù)目眾多的抗病蛋白。中國科學(xué)家最新發(fā)現(xiàn)抗病小體及完成抗病蛋白高分辨度結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制的解析，將為設(shè)計(jì)抗廣譜、持久的新型抗病蛋白等新的病蟲害防控手段，發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)奠定核心理論基礎(chǔ)。