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我国在植物免疫领域取得重大突破 专家:有望培育出新型抗病毒植物

2019-04-11 | 人围观 | 评论:

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■ 科技日报中国科技网/记者 桂楷东

植物一生面临着非常复杂和严峻的生存环境,经过漫长进化,植物逐渐形成了一系列复杂高效的保护机制来抵御病原物的侵染......4月5日,国际权威学术期刊Science《科学》发表了清华大学柴继杰团队、中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民团队、清华大学王宏伟团队联合研究发现的由抗病蛋白组成的抗病小体,这一发现为将来更好利用抗病蛋白培育抗病植物提供了新机遇。

成果:“植物抗病小体”,植物高效防卫系统的指挥官

“抗病蛋白被发现及在植物育种中大量应用已有二十多年,但人们对其发挥作用的分子机制仍不清楚”。清华大学生命科学学院的柴继杰(Jijie Chai)教授告诉记者,植物作为自然界中最广泛存在的初级能量来源,是蕴含丰富水分和有机营养物质的载体,毋庸置疑会成为很多病原微生物和害虫所觊觎的目标。

柴继杰介绍,在长期对抗病原生物的过程中,植物进化出了复杂高效的两层免疫系统,用于识别各种病原微生物、激活防卫反应,从而保护自己免受侵害。处于两层免疫系统的核心是植物细胞内数目众多的抗病蛋白,它们既是监控病虫侵害的哨兵,也是植物动员高效防卫系统的指挥官。

正是从这一原理机制出发,本次发现由抗病蛋白组成的抗病小体并解析了其处于抑制状态、中间状态及五聚体活化状态的冷冻电镜结构,从而揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子机制,为将来更好利用抗病蛋白培育抗病植物提供了新的机遇。

图3 植物抗病小体工作机制示意图

突破:填补了人们25年来对抗病蛋白认知的巨大空白

“抗病蛋白理论研究的一个巨大瓶颈在于缺乏蛋白质结构。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。”柴继杰告诉记者,植物抗病蛋白作为多结构域的蛋白经常具有分子量大及构像多变等特点,导致体外的纯化重组及结构研究非常困难。自从25年前国际上首次鉴定到抗病蛋白以来,多个国际顶尖实验室均未能纯化出可供结构分析的全长抗病蛋白质。

柴继杰透露,抗病蛋白表达在正常植物细胞内受到严格的调控,且其活化会导致感病局部细胞组织的超敏性死亡(HR),使得植物体内抗病蛋白介导的信号通路研究非常困难。

对于发现“植物抗病小体”这一成果也得到了国际权威专家的证实。国际植物抗病研究权威科学家美国科学院院士Jeffery Dangl和英国皇家学会会员、美国科学院院士Jonathan Jones对这一重大突破性成果给予高度评价:“首个抗病小体的发现,为植物如何控制细胞死亡和免疫提供了线索”,显著的推进了人们对植物免疫机制的认识, 打开了多个开拓性研究方向。《植物学报》同时发表国际著名植物抗病专家Xin Li(李昕)等人题为“开启防御之门:植物抗病小体”的专文评述,认为该项成果“完成了植物NLR蛋白复合物的组装、结构和功能分析,揭示了NLR作用的关键分子机制,是植物免疫研究的里程碑事件”。

意义:新型抗病虫育种,将大大减少化学农药的施用

植物抗病蛋白在植物抵抗各种病原生物中发挥极其重要的作用,寻找针对某种具体病虫害的抗病基因并成功转移到易感物种成为许多重要植物抗病育种工作的基础,因此对植物抗病蛋白功能的分子机理研究具有重要的理论及现实意义。

柴继杰告诉记者,各种农作物病虫害,严重威胁农业生产。为了减少损失,农业生产中不得不大量施用化学农药,但这又对环境、人类健康、和农业可持续发展带来了挑战。

“在保护作物的同时,减少化学农药的施用,成为摆在农业生产者和科学家面前的一道难题”柴继杰说,解决这一问题的关键,就存在于植物细胞中,植物细胞内数目众多的抗病蛋白。这些蛋白发现病菌后,迅速启动植物防卫反应,杀死病菌,从而保护植物免受侵害。利用抗病蛋白,设计新型抗病虫育种,将大大减少化学农药的施用。抗病蛋白高分辨度结构和作用机制的解析,将为设计抗广谱、持久的新型抗病蛋白,发展绿色农业奠定了核心理论基础。(完)

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