植物細胞內數目眾多的抗病蛋白，是監控病蟲侵害的“哨兵”，也是動員植物防衛系統的“指揮官”。植物體內的抗病蛋白已被發現25年，但科學家對其發揮作用的分子機制仍不清楚。4月5日，在國際權威學術期刊《科學》上，清華大學和中國科學院的學者同時發表兩篇長文，中國學者在國際上首次發現由植物抗病蛋白組成的抗病小體，并解析其處于抑制狀態、中間狀態及五聚體活化狀態的冷凍電鏡結構，從而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機制，為將來更好利用抗病蛋白培育抗病植物提供新的可能性——比如設計新型抗病蟲育種，大大減少化學農藥的施用。

這是中國科學家在國際植物免疫研究領域取得的歷史性重大突破。

尋找針對某種具體病蟲害的抗病基因，并成功轉移到易感物種，是許多重要植物抗病育種工作的基礎，對植物抗病蛋白功能的分子機理研究具有重要的理論及現實意義。但抗病蛋白理論研究的巨大瓶頸在于缺乏蛋白質結構，這是因為，作為多結構域的蛋白，植物抗病蛋白經常具有分子量大及構像多變等特點，導致體外的純化重組及結構研究非常困難。

自從25年前全球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構分析的全長抗病蛋白質。

自2004年以來，清華大學生命科學學院教授柴繼杰團隊，就致力于篩選理想的植物抗病蛋白，十五年間，數十位博士研究生在植物抗病蛋白的大量表達、高質量純化和體外重組等方面積累寶貴經驗。2013年底，柴繼杰團隊成功篩選到用于結構生物學研究的理想候選抗病蛋白ZAR1。ZAR1之前被研究證實是利用假激酶ZED1為“誘餌”來特異性識別和感應假單胞桿菌Ⅲ型分泌效應蛋白HopZ1a的抗病蛋白。

2015年，中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員周儉民團隊發現了病原細菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略：病原細菌的一個致病蛋白AvrAC精準破壞植物免疫系統中的關鍵組分，幫助細菌侵染植物寄主;而植物則利用特殊的“誘餌”PBL2和RKS1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，清除細菌。

之后兩個團隊就ZAR1抗病蛋白的結構生物學研究展開緊密合作，借助于清華大學教授王宏偉團隊在冷凍電鏡方法學上的成就，他們以AvrAC與ZAR1為體系研究植物抗病蛋白結構，成功地解析了植物抗病蛋白抑制狀態復合物RKS1-ZAR1、識別-啟動狀態復合物PBL2UMP-RKS1-ZAR1、和激活復合物(抗病小體，resistosome)的結構，詳細闡述植物抗病蛋白的工作機理。

植物抗病蛋白的抑制狀態結構(A)、識別-啟動狀態結構(B)和啟動機理(C)示意圖

本次在《科學》雜志發表的文章揭示，ZAR1被AvrAC激活后，組裝成含三個亞基共15個蛋白的環狀五聚體蛋白機器，植物抗病蛋白的第一個激活復合物被成功捕捉并被正式命名為“抗病小體”(resistosome)，這是國際上首次發現抗病小體。更為重要的是，抗病小體結構的解析為理解其生化功能提供了線索，奠定植物控制細胞死亡和免疫新模型的建立。

植物抗病小體不同視角的結構示意圖

兩篇文章通過對抑制狀態復合物的結構和功能解析，闡明了抗病蛋白由抑制狀態，經過中間狀態，最終形成抗病小體的生化過程，合作團隊緊密結合結構、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胞質膜上發出自殺指令，很可能是植物細胞死亡和免疫執行者。該項工作填補了人們25年來對抗病蛋白認知的巨大空白，為研究其它抗病蛋白提供了范本。

圖3植物抗病小體工作機制示意圖

成果評價

顯著推進對植物免疫機制的認識

在國際植物抗病研究權威科學家美國科學院院士Jeffery Dangl和英國皇家學會會員、美國科學院院士Jonathan Jones看來：“首個抗病小體的發現，為植物如何控制細胞死亡和免疫提供了線索，顯著地推進了人們對植物免疫機制的認識，打開了多個開拓性研究方向。”

成果應用

新型抗病蟲育種

減少化學農藥使用

在農業生產領域，利用抗病蛋白，設計新型抗病蟲育種，將大大減少化學農藥的施用。抗病蛋白高分辨度結構和作用機制的解析，將為設計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發展綠色農業奠定了核心理論基礎。

“該項研究填補了人們25年來對抗病蛋白認知的空白，為研究其它抗病蛋白提供了范本。”周儉民告訴記者，各種農作物病蟲害嚴重威脅農業生產。為了減少損失，農業生產中不得不大量施用化學農藥，但這又對環境、人類健康、和農業可持續發展帶來了挑戰。而抗病蛋白發現病菌后，可以迅速啟動植物防衛反應，殺死病菌，從而保護植物免受侵害。利用抗病蛋白，發展新的病蟲害防控手段，將大大減少化學農藥的施用。

他說，未來這項技術既可以應用于農作物的“育種”階段，培育出可以抗病害的農作物。也可以用于制作“干擾劑”，在農作物生長過程中使用，增強對病害的抵御能力，“目前研究看，這項技術應用到茄子、辣椒、西紅柿以及油菜等果蔬相對簡單，并且容易操作，相對比較容易在短期內就造福我們的生活。”

關鍵詞：