2019年波叔一波中特诗

我國在植物免疫領域取得重大突破 專家:有望培育出新型抗病毒植物

第202期 植物免疫,抗病毒植物,清華大學, 2019-04-08 08:51:26
來源:科技日報中國科技網
作者:桂楷東 編輯:桂楷東
【編者按】

植物一生面臨著非常復雜和嚴峻的生存環境,經過漫長進化,植物逐漸形成了一系列復雜高效的保護機制來抵御病原物的侵染......4月5日,國際權威學術期刊Science《科學》發表了清華大學柴繼杰團隊、中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民團隊、清華大學王宏偉團隊聯合研究發現的由抗病蛋白組成的抗病小體,這一發現為將來更好利用抗病蛋白培育抗病植物提供了新機遇。

成果:“植物抗病小體”,植物高效防衛系統的指揮官

“抗病蛋白被發現及在植物育種中大量應用已有二十多年,但人們對其發揮作用的分子機制仍不清楚”。清華大學生命科學學院的柴繼杰(Jijie Chai)教授告訴記者,植物作為自然界中最廣泛存在的初級能量來源,是蘊含豐富水分和有機營養物質的載體,毋庸置疑會成為很多病原微生物和害蟲所覬覦的目標。

柴繼杰介紹,在長期對抗病原生物的過程中,植物進化出了復雜高效的兩層免疫系統,用于識別各種病原微生物、激活防衛反應,從而保護自己免受侵害。處于兩層免疫系統的核心是植物細胞內數目眾多的抗病蛋白,它們既是監控病蟲侵害的哨兵,也是植物動員高效防衛系統的指揮官。

正是從這一原理機制出發,本次發現由抗病蛋白組成的抗病小體并解析了其處于抑制狀態、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了新的機遇。

突破:填補了人們25年來對抗病蛋白認知的巨大空白

“抗病蛋白理論研究的一個巨大瓶頸在于缺乏蛋白質結構。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。”柴繼杰告訴記者,植物抗病蛋白作為多結構域的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年前國際上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。

柴繼杰透露,抗病蛋白表達在正常植物細胞內受到嚴格的調控,且其活化會導致感病局部細胞組織的超敏性死亡(HR),使得植物體內抗病蛋白介導的信號通路研究非常困難。

對于發現“植物抗病小體”這一成果也得到了國際權威專家的證實。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對這一重大突破性成果給予高度評價:“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”,顯著的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。《植物學報》同時發表國際著名植物抗病專家Xin Li(李昕)等人題為“開啟防御之門:植物抗病小體”的專文評述,認為該項成果“完成了植物NLR蛋白復合物的組裝、結構和功能分析,揭示了NLR作用的關鍵分子機制,是植物免疫研究的里程碑事件”。

意義:新型抗病蟲育種,將大大減少化學農藥的施用

植物抗病蛋白在植物抵抗各種病原生物中發揮極其重要的作用,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成為許多重要植物抗病育種工作的基礎,因此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。

柴繼杰告訴記者,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。

“在保護作物的同時,減少化學農藥的施用,成為擺在農業生產者和科學家面前的一道難題”柴繼杰說,解決這一問題的關鍵,就存在于植物細胞中,植物細胞內數目眾多的抗病蛋白。這些蛋白發現病菌后,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,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。(完)

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