植物免疫系统研究取得重大突破

　　《科学》刊文详细介绍清华大学与中科院联合科研成果

　　植物免疫系统研究取得重大突破

　　■本报首席记者许琦敏

　　扎根大地，遭遇病虫害侵袭只能硬扛的植物，体内究竟拥有怎样的免疫系统，才能发展到今天这般品类繁盛？美国《科学》杂志日前刊发两篇长文详细介绍清华大学柴继杰团队、王宏伟团队，以及中国科学院遗传与发育生物研究所周俭民团队共同合作所取得的重磅发现：科学家首次看到了植物免疫系统中的重要力量——抗病小体的清晰模样。

　　这项研究成果的预印本一上网，就受到了国际同行的赞誉。英国皇家学会会士、欧洲分子生物学组织委员索希恩·卡蒙(Sophien Kamoun)教授表示：“这个研究成果提出了一个我们领域从未有过的全新模型，给植物免疫领域带来了很多启示。”他认为，这项成果不仅为人类认识植物的免疫系统打开了一扇大门，在未来也能对农业起到极大的推动作用。

　　15年，数十位博士生“海选”目标

　　“病虫害每年都会给我国粮食生产造成大量损失，而这个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家洋语气中难抑兴奋之情。中国农业科学院植物保护研究所所长周雪平教授也表示，希望该成果能从根源上让植物提高抗病能力，大量减少中国乃至全世界农药的使用量。

　　25年前，国际上首次发现了植物中的抗病蛋白，人类也首次认识到了植物生命体中的“二重防御”体系：第一道防线在细胞表面，通过识别病原体的共通特征，拉响免疫警报；第二道防线在细胞内，有的病原体能蒙混过第一道防线，将毒性蛋白注入植物细胞，此时细胞内的抗病蛋白会针对性地识别，一边剿灭“入侵者”，一边下令被“攻陷”的细胞“自杀”，保证植物体的健康。

　　然而，抗病蛋白们究竟如何被激活并执行任务的？很多国际顶尖实验室想有所突破却一直未果。

　　“在植物体内，抗病蛋白种类很多，比如小麦、水稻都有400多个。”清华大学生命科学学院教授柴继杰介绍，这些蛋白个头巨大、结构复杂，平时在细胞里数量又很少，只有当自己负责的外敌入侵时，才会被多制造出来一些，因此想要得到纯化样品，并解析其三维结构，难上加难。

　　2004年柴继杰从美国普林斯顿大学回国后，开始了解开谜团的努力。为了在浩如海洋的抗病蛋白中筛选理想的研究对象，先后有几十位博士研究生为此付出了辛勤劳动。直到2013年，抗病蛋白ZAR1才出现在柴继杰的视线中。中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民研究员同样付出了多年心血，他发现ZAR1可通过“诱饵”激活，通俗来说，它可以被“诱骗”而大量表达，同时进入“战斗状态”。于是，两个课题组与清华大学生命科学学院专注冷冻电镜结构解析的王宏伟教授课题组携手，开始了攻破植物免疫世界谜题的征程。

　　坚持、积累和运气，一个都不能少

　　“能有今天的突破，我认为最重要的是坚持。”柴继杰说，曾经有一年多，他都没去过问这个课题，那时候真的感到希望渺茫，似乎没有出路了。

　　他们碰到了一个难题：ZAR1身上有个“插销”ADP，当毒性病毒拨动这个“插销”，ZAR1就会被激活。当时，两篇论文的第一作者、柴继杰的博士生王继纵却发现，这个“插销”被拔下后，却找不到让它维持激活状态的小分子。“很多时候，你和成功就隔着一层窗户纸，却不知道怎样捅破。”柴继杰没有去催王继纵，终于，一年多后，曙光出现了！他们终于发现了那个对的分子。“接下来的研究，可以说势如破竹。”柴继杰说，科研就是这样，坚持、积累和运气，一个都不能少。

　　其实，这十几年的坎坷绝对不少。比如，要让ZAR1在细胞体外激活，并组成形态复杂的“战队”，就必须将它在细胞里的那些“帮手”一一找到，并在体外配齐。又如，有些蛋白质的个头非常小，如果没有高超的冷冻电镜成像技术和独到的算法，同样难以完美呈现ZAR1“战队”的形态。

　　经过不懈努力，三个科学家团队梦寐以求多年的植物抗病蛋白真正的“战斗状态”呈现在了他们的眼前——ZAR1被“诱饵”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，仿佛一艘五角星的太空飞船。这被科研团队命名为“抗病小体”。

　　免疫策略，动植物有“共通的智慧”

　　当看到ZAR1组成的抗病小体时，柴继杰不禁感叹大自然的造化：在适应环境的进化过程中，动植物竟然有着共通的智慧！

　　此前，科学家已经发现，动物体内的炎症小体，也是多个蛋白组合，因此一直猜想植物抗病蛋白或许也是这种工作模式。没想到，还真猜对了！

　　柴继杰告诉记者，尽管体内抗病蛋白数量众多，但总有防不胜防的疾病来袭。抗病蛋白可以组合作战，显然就使其应对陌生病毒的本领强大了不少。

　　这一次，三个团队紧密合作，揭示了抗病小体的工作机制。比如，抗病小体形成后直接在细胞质膜上发出自杀指令，很可能是植物细胞死亡和免疫执行者。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。

　　“当我们搞清楚了抗病蛋白的工作机理，就能针对不同病毒，设计出抗病蛋白，让农作物更方便地获得某种抗病性。”柴继杰说，这不仅可能让育种更迅速，也可能大幅减少农药用量，减少对环境的影响。李家洋表示，希望尽快将该成果应用到分子育种中。

　　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。