農(nóng)作物病害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大威脅。以往，大量施用化學(xué)農(nóng)藥又帶來了農(nóng)業(yè)面源污染。能否在保護(hù)作物的同時，少打藥或不打藥？

　　近日，我國科學(xué)家發(fā)表的一項重大研究成果，揭示了植物免疫系統(tǒng)的工作原理，有望發(fā)展出新的植物防病害手段，提高農(nóng)作物自身抗病蟲害的能力。

　　日前，清華大學(xué)柴繼杰團(tuán)隊、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周儉民團(tuán)隊和清華大學(xué)王宏偉團(tuán)隊聯(lián)合在植物免疫研究領(lǐng)域取得歷史性重大突破，發(fā)現(xiàn)了“抗病小體”，并成功解析其作用機理，為研究植物如何控制細(xì)胞死亡和免疫提供了重要線索。該成果于北京時間4月5日在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表。

　　今年中央一號文件提出，加大農(nóng)業(yè)面源污染治理力度，開展農(nóng)業(yè)節(jié)肥節(jié)藥行動，實現(xiàn)化肥農(nóng)藥使用量負(fù)增長。而我國科學(xué)家的這一重大發(fā)現(xiàn)意味著，利用這個“抗病小體”，人們可以想方設(shè)法更好提升植物免疫力，還能“從頭到腳”地去設(shè)計更為強大的抗病蟲農(nóng)作物。農(nóng)作物自身抗病能力提高了，化學(xué)農(nóng)藥的施用量自然就會大大減少。

　　植物自身具有免疫力，抵御來自病毒、細(xì)菌等侵襲

　　同動物一樣，植物在成長過程中，也會不斷受到來自病毒、細(xì)菌、真菌、昆蟲等的侵襲。植物雖然不能像動物那樣移動躲避，但也不是逆來順受，“任人宰割”。在漫長的進(jìn)化過程中，植物“修煉”出了完備的免疫系統(tǒng)，能夠?qū)@些入侵進(jìn)行反抗，從而保護(hù)自己免受侵害。

　　在植物啟動免疫系統(tǒng)進(jìn)行防御的過程中，植物細(xì)胞內(nèi)數(shù)目眾多的抗病蛋白扮演著至關(guān)重要的角色。它們既是監(jiān)控病蟲侵害的哨兵，也是動員植物防衛(wèi)系統(tǒng)的指揮官。

　　因此，要想提升植物自身的免疫力，首先必須得搞清楚抗病蛋白的工作原理和機制。然而，這項工作十分困難。從25年前抗病蛋白被發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，人們?nèi)匀粵]能揭示其中的奧秘。

　　“抗病蛋白的構(gòu)成復(fù)雜、分子量大且構(gòu)象多變，對解析其結(jié)構(gòu)帶來了極大困難。”周儉民說，“25年來，多個國際實驗室都未能破解完整的抗病蛋白結(jié)構(gòu)。”

　　抗病蛋白結(jié)構(gòu)為何如此重要？它能夠告訴我們什么？

　　周儉民說：“比如，抗病蛋白的活性該如何管控？抗病蛋白是不是能夠形成一個強大的防御機器？這個機器是如何發(fā)揮功能的？這些都能從蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中找到線索。”

　　抗病蛋白結(jié)構(gòu)的難題多年未有突破，但各國科學(xué)家仍堅持不懈。柴繼杰團(tuán)隊和周儉民團(tuán)隊十幾年來長期合作，一直以此為主攻方向。

　　周儉民團(tuán)隊和柴繼杰團(tuán)隊的早期合作發(fā)現(xiàn)了植物與細(xì)菌攻防的線索，并提出了植物與病原細(xì)菌間攻防的“誘餌模型”；周儉民團(tuán)隊進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了一系列新的實驗證據(jù)，完善了這個模型。

　　抗病蛋白工作原理的神秘面紗正一點點被掀開。

　　我國科學(xué)家成功揭示植物抗病蛋白工作原理

　　一個轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在2012年至2015年。

　　在此間的兩項工作中，周儉民團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了病原細(xì)菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略。即病原細(xì)菌的一個致病蛋白AvrAC在精準(zhǔn)破壞植物免疫系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分之后，幫助細(xì)菌侵染植物寄主。而與此同時，植物則利用特殊的“誘餌”蛋白，感知到了這個致病蛋白的活動并將信息傳遞給了植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活了免疫反應(yīng)，清除細(xì)菌。

　　“植物細(xì)胞表面有許多受體，它們是植物的道防線，一般能識別出細(xì)菌，并調(diào)動細(xì)胞內(nèi)的防御系統(tǒng)來抵抗它。但狡猾的細(xì)菌可不會輕易投降，而是會向植物細(xì)胞內(nèi)分泌毒性蛋白，利用特殊化學(xué)反應(yīng)精準(zhǔn)破壞植物防御系統(tǒng)的關(guān)鍵蛋白。”周儉民說，不過，也別太擔(dān)心，植物在長期的斗爭中變得更加高明，進(jìn)化出由抗病蛋白和誘餌蛋白組成的第二道防線，欺騙細(xì)菌的毒性蛋白，等毒性蛋白破壞誘餌蛋白時，會迅速激活抗病蛋白。

　　根據(jù)“誘餌模型”，毒性蛋白破壞“誘餌”蛋白時，會引起抗病蛋白發(fā)生一系列構(gòu)象改變，成為激活狀態(tài)的抗病蛋白。但其中具體的分子過程、這個活性狀態(tài)的抗病蛋白是什么樣的，需要從蛋白結(jié)構(gòu)中去尋找答案。

　　另一個轉(zhuǎn)折出現(xiàn)在2015年至2017年。

　　柴繼杰團(tuán)隊在動物炎癥小體結(jié)構(gòu)研究中取得了突破。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的結(jié)構(gòu)積累了寶貴的經(jīng)驗。

　　有了理論基礎(chǔ)和實驗生物學(xué)體系，還需要強有力的技術(shù)支撐。于是，以冷凍電鏡方法學(xué)研究見長的清華大學(xué)王宏偉團(tuán)隊?wèi)?yīng)邀加入。之后，又經(jīng)過多年協(xié)作攻關(guān)，3個團(tuán)隊終于于近日成功地組裝了包含ZAR1激活的抗病小體。

　　周儉民說：“結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，抗病蛋白ZAR1被細(xì)菌蛋白AvrAC激活后，組裝成含3個亞基共15個蛋白的環(huán)狀五聚體蛋白機器，我們把它命名為抗病小體。”

　　緊接著，聯(lián)合團(tuán)隊又揭示了抗病小體的工作機制。比如，抗病小體形成后通過一個死亡開關(guān)，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)胞死亡和免疫的執(zhí)行者。

　　“抗病小體讓受到感染的植物細(xì)胞與細(xì)菌同歸于盡，從而保護(hù)其它健康細(xì)胞。”周儉民說。

　　利用抗病蛋白，精準(zhǔn)防控病害

　　學(xué)界一直認(rèn)為“抗病小體”應(yīng)該存在，但從來沒有人發(fā)現(xiàn)過，更不知道它長啥樣。此次“抗病小體”的發(fā)現(xiàn)填補了人們25年來對抗病蛋白認(rèn)知的空白，為研究其它抗病蛋白提供了范本。與此同時，利用抗病蛋白，發(fā)展新的病蟲害防控手段，以及更好地設(shè)計抗病蟲農(nóng)作物，將會大大減少化學(xué)農(nóng)藥的施用，從而保護(hù)環(huán)境。

　　中科院院士李家洋認(rèn)為這項成果不僅在科學(xué)認(rèn)知上取得了重大的突破，同時也在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　中科院院士康樂認(rèn)為，這項成果最重要的是改變了植物防病害的思路，更為精準(zhǔn)。

　　在《科學(xué)》雜志同期專文評述中，國際植物抗病研究權(quán)威科學(xué)家杰弗里·丹格（Jeffery Dangl）和喬納森·瓊斯（Jonathan Jones）對這一重大突破性成果給予高度評價：“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。”

　　2015年，我國在全國范圍內(nèi)開始開展“農(nóng)藥零增長”行動，目標(biāo)是到2020年力爭實現(xiàn)農(nóng)藥使用總量零增長。令人驚喜的是，2017年就實現(xiàn)農(nóng)藥零增長目標(biāo)，比原計劃提前了3年。

　　好成績的取得，是積極推廣實施生物、物理防治等綠色防控措施，科學(xué)使用農(nóng)藥的結(jié)果。其中，抗病分子育種就是一個主要綠色防控手段。此次抗病小體的發(fā)現(xiàn)，也將會極大推動傳統(tǒng)抗病分子育種方式的改進(jìn)升級。

　　傳統(tǒng)抗病分子育種，首先需要篩選抗病種質(zhì)資源，然后將其中的抗病基因通過傳統(tǒng)雜交方式導(dǎo)入優(yōu)良品種中去。周儉民說：“這種方式存在的問題就是育種周期長，抗普窄，趕不上病蟲變異的速度。所以，抗病品種經(jīng)常是還在生產(chǎn)過程中就很快失去了抗病作用。”

　　現(xiàn)在，更為精準(zhǔn)的抗病分子育種，能讓育種周期大大縮短，也可能大幅減少農(nóng)藥的用量。康樂表示，“當(dāng)我們搞清楚了抗病小體的工作機理，就能針對不同病毒，更精準(zhǔn)設(shè)計出抗病蛋白，讓農(nóng)作物更方便地獲得某種抗病性。”