编者按

　　今天，柴继杰、周俭民、王宏伟研究组在国际权威学术期刊Science《科学》上，合作发表两篇研究长文，发现首个“植物抗病小体”并揭示抗病蛋白管控和激活的核心分子机制。它将为研究其它抗病蛋白提供范本，被国外同行称为“植物免疫研究的里程碑事件”。

　　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。在实际生活中，如何减少农药的大量施用，一直以来都是科学家的一块“心头病”。

　　4月4日，清华大学召开“植物抗病小体”重大成果新闻发布会，介绍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和清华大学王宏伟团队在植物免疫研究领域取得的历史性重大突破。

　　合作团队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，填补了人们25年来对植物抗病蛋白认知的巨大空白，为将来更好利用抗病蛋白培育抗病植物提供了新的机遇。

　　4月5日，相关成果以两篇长文(Research Article)形式发表在国际权威学术期刊Science《科学》。在Science杂志同期专文评述中，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”》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”。

　　十五年磨一剑

　　为培育抗病植物提供新机遇

　　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。

　　植物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。植物抗病领域急切需要抗病蛋白的全长抑制及活化状态的结构来整合以往海量的遗传信息并指导植物抗病机制的深入研究。因此，抗病蛋白理论研究的一个巨大瓶颈在于缺乏蛋白质结构，这正是柴继杰团队2004年成立以来的主攻方向。

　　但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也困难重重。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。

　　柴继杰团队自2004年成立以来就开始在数量众多的植物抗病蛋白中进行理想研究对象的繁重筛选工作。2013年底，柴继杰团队成功筛选到用于结构生物学研究的理想候选ZAR1，但利用病原菌蛋白HopZ1a未能成功激活ZED1-ZAR1抗病蛋白复合物。

　　周俭民团队在2015年发现了病原细菌和植物之间令人惊叹的攻防策略：病原细菌的一个致病蛋白AvrAC精准破坏植物免疫系统中的关键组分，帮助细菌侵染植物寄主；而植物则利用特殊的“诱饵”PBL2和RKS1蛋白，感知AvrAC的活动并将信息传递给植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活免疫反应，清除细菌。之后两个团队就ZAR1抗病蛋白的结构生物学研究展开紧密合作。

　　同时王宏伟团队长期致力于冷冻电镜方法学的研究和改善，尤其在使用相位板技术解析小分子量蛋白质的结构方面经验丰富，因此在较短时间内解析具有小分子量抗病蛋白非激活状态的高分辨率结构具有很大可能性。

　　而柴继杰团队近年在动物炎症小体结构研究中取得了突破，由于组成炎症小体的蛋白与植物抗病蛋白具有诸多相似性，这些研究为解析植物抗病蛋白结构积累了宝贵经验。

　　在上述研究的基础上，三个团队进一步合作，以AvrAC与ZAR1为体系研究植物抗病蛋白结构。经过多年协作攻关，成功地解析了植物抗病蛋白抑制状态复合物RKS1-ZAR1、识别-启动状态复合物PBL2UMP-RKS1-ZAR1和激活复合物 (抗病小体，resistosome)的结构，详细阐述植物抗病蛋白的工作机理。

　　小小抗病蛋白

　　可望大大减少农药施用

　　在第一篇文章中，ZAR1通过自身多结构域组成的分子内互作和ADP分子介导的自我抑制机制被具体揭示（图1A）；植物抗病蛋白通过识别病原菌蛋白AvrAC导致其核酸结合结构域（NBD）的构象变化和释放ADP分子，从而解除ZAR自抑制进入启动状态（图1B和1C）。

　　图1 植物抗病蛋白的抑制状态结构（A）、识别-启动状态结构（B）和启动机理（C）示意图

　　在第二篇文章中，ZAR1被AvrAC激活后，组装成含三个亚基共15个蛋白的环状五聚体蛋白机器，植物抗病蛋白的第一个激活复合物被成功捕捉并被正式命名为“抗病小体”(resistosome) (图2)。更为重要的是，抗病小体结构的解析为理解其生化功能提供了线索，奠定植物控制细胞死亡和免疫新模型的建立。

　　图2 植物抗病小体不同视角的结构示意图

　　两篇文章的研究成果是通过对不同状态复合物的结构和功能解析，阐明了抗病蛋白由抑制状态，经过中间状态，最终形成抗病小体的生化过程，合作团队紧密结合结构、生化和功能研究，揭示了抗病小体工作机制（图3）。比如，抗病小体形成后直接在细胞质膜上发出自杀指令，很可能是植物细胞死亡和免疫执行者。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。

　　图3 植物抗病小体工作机制示意图

　　在保护作物的同时，减少化学农药的施用，一直是摆在农业生产者和科学家面前的一道难题。免疫疗法即提高植物自身的免疫力方法被提出以解决这一问题。而解决这一问题的关键，就是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。

　　英国皇家学会会士、欧洲科学院院士Sophien Kamoun专门为该项成果录制视频点评：“这真是一个令人震惊和漂亮的结构……更让人振奋的是，他们提出了一个我们领域从未有过的全新模型，给植物免疫领域带来很多启示。”

　　“这是一个被全世界研究了20多年的难题，很高兴这个难题在中国、在清华大学由我们的学者们第一步攻克。”参加发布会的武汉大学高等研究院院长朱玉贤院士发言道，“这个问题要是解决了，将会在农业上发挥重要的作用。”

　　中国农业科学院植物保护研究所所长周雪平教授也表示：“这项工作是我们植物保护领域，包括植物学领域里程碑式的成果。”

　　· 背靠背Science文章

　　Wang JZ#, Wang J#, Hu M#, Wu S, Qi J,Wang G, Han Z, Qi Y,Gao N, Wang HW*, Zhou JM*, Chai J*(2019). Ligand-triggered allosteric ADPrelease primes a plant NLR complex.Science

　　Wang JZ#,Hu M#, Wang J#,Qi J, Han Z, Wang G, Qi Y, Wang HW*, Zhou JM*, Chai J*(2019).Reconstitution and structure of a plant NLR resistosome conferringimmunity.Science

　　· 专文评述

　　夏石头李昕(2019).开启防御之门：植物抗病小体.植物学报

　　Dangl J, Jones JDG (2019).a pentangular plant inflammasome.Science

　　http://science.sciencemag.org/content/364/6435/eaav5868

　　http://science.sciencemag.org/content/364/6435/eaav5870

　　http://science.sciencemag.org/content/364/6435/31

　　http://www.chinbullbotany.com/CN/1674-3466/home.shtml

　　文 | 清华大学生命学院王继纵 安丽娜

　　图 | 清华大学生命学院

　　编辑 | 张静