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　　農(nóng)作物病害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的巨大威脅。以往，大量施用化學農(nóng)藥又帶來了農(nóng)業(yè)面源污染。能否在保護作物的同時，少打藥或不打藥？
　　近日，我國科學家發(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，清華大學柴繼杰團隊、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所周儉民團隊和清華大學王宏偉團隊聯(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)了首個“抗病小體”，并成功解析其作用機理，為研究植物如何控制細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)威學術(shù)期刊《科學》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)藥使用量負增長。而我國科學家的這一重大發(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)@些入侵進行反抗，從而保護自己免受侵害。
　　在植物啟動免疫系統(tǒng)進行防御的過程中，植物細胞內(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年前首個抗病蛋白被發(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?！敝軆€民說，“25年來，多個國際頂尖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?！?br/>　　盡管抗病蛋白結(jié)構(gòu)的難題多年未有突破，但各國科學家仍堅持不懈。柴繼杰團隊和周儉民團隊十幾年來長期合作，一直以此為主攻方向。
　　周儉民團隊和柴繼杰團隊的早期合作發(fā)現(xiàn)了植物與細菌攻防的線索，并提出了植物與病原細菌間攻防的“誘餌模型”；周儉民團隊進一步發(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，周儉民團隊發(fā)現(xiàn)了病原細菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略。即病原細菌的一個致病蛋白AvrAC在精準破壞植物免疫系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分之后，幫助細菌侵染植物寄主。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)，清除細菌。
　　“植物細胞表面有許多受體，它們是植物的第一道防線，一般能識別出細菌，并調(diào)動細胞內(nèi)的防御系統(tǒng)來抵抗它。但狡猾的細菌可不會輕易投降，而是會向植物細胞內(nèi)分泌毒性蛋白，利用特殊化學反應(yīng)精準破壞植物防御系統(tǒng)的關(guān)鍵蛋白。”周儉民說，不過，也別太擔心，植物在長期的斗爭中變得更加高明，進化出由抗病蛋白和誘餌蛋白組成的第二道防線，欺騙細菌的毒性蛋白，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)和實驗生物學體系，還需要強有力的技術(shù)支撐。于是，以冷凍電鏡方法學研究見長的清華大學王宏偉團隊應(yīng)邀加入。之后，又經(jīng)過多年協(xié)作攻關(guān)，3個團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?！?br/>　　緊接著，聯(lián)合團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)，直接在細胞質(zhì)膜上發(fā)出自殺指令，很可能是植物細胞死亡和免疫的執(zhí)行者。
　　“抗病小體讓受到感染的植物細胞與細菌同歸于盡，從而保護其它健康細胞?！敝軆€民說。
　　利用抗病蛋白，精準防控病害
　　學界一直認為“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。此次首個“抗病小體”的發(fā)現(xiàn)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。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，將會大大減少化學農(nóng)藥的施用，從而保護環(huán)境。
　　中科院院士李家洋認為這項成果不僅在科學認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。
　　在《科學》雜志同期專文評述中，國際植物抗病研究權(quán)威科學家杰弗里·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：“首個抗病小體的發(fā)現(xiàn)，為植物如何控制細胞死亡和免疫提供了線索?！?br/>　　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，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?！?br/>　　現(xiàn)在，更為精準的抗病分子育種，能讓育種周期大大縮短，也可能大幅減少農(nóng)藥的用量?？禈繁硎?，“當我們搞清楚了抗病小體的工作機理，就能針對不同病毒，更精準設(shè)計出抗病蛋白，讓農(nóng)作物更方便地獲得某種抗病性?！?br/>　　（原載于《人民日報》 2019-04-08 13版）