編者按

　　今天，柴繼傑、周儉民、王宏偉研究組在國際權威學術期刊Science《科學》上，合作發表兩篇研究長文，發現首個“植物抗病小體”並揭示抗病蛋白管控和激活的核心分子機制。它將爲研究其它抗病蛋白提供範本，被國外同行稱爲“植物免疫研究的里程碑事件”。

　　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。在實際生活中，如何減少農藥的大量施用，一直以來都是科學家的一塊“心頭病”。

　　4月4日，清華大學召開“植物抗病小體”重大成果新聞發佈會，介紹清華大學柴繼傑團隊、中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民團隊和清華大學王宏偉團隊在植物免疫研究領域取得的歷史性重大突破。

　　合作團隊發現由抗病蛋白組成的抗病小體並解析了其處於抑制狀態、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，填補了人們25年來對植物抗病蛋白認知的巨大空白，爲將來更好利用抗病蛋白培育抗病植物提供了新的機遇。

　　4月5日，相關成果以兩篇長文(Research Article)形式發表在國際權威學術期刊Science《科學》。在Science雜誌同期專文評述中，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，爲植物如何控制細胞死亡和免疫提供了線索”“顯著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）等人題爲《開啓防禦之門：植物抗病小體”》專文評述，認爲該項成果“完成了植物NLR蛋白複合物的組裝、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”。

　　十五年磨一劍

　　爲培育抗病植物提供新機遇

　　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併成功轉移到易感物種成爲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。

　　植物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。植物抗病領域急切需要抗病蛋白的全長抑制及活化狀態的結構來整合以往海量的遺傳信息並指導植物抗病機制的深入研究。因此，抗病蛋白理論研究的一個巨大瓶頸在於缺乏蛋白質結構，這正是柴繼傑團隊2004年成立以來的主攻方向。

　　但植物抗病蛋白作爲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也困難重重。自從25年前國際上首次鑑定到抗病蛋白以來，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。

　　柴繼傑團隊自2004年成立以來就開始在數量衆多的植物抗病蛋白中進行理想研究對象的繁重篩選工作。2013年底，柴繼傑團隊成功篩選到用於結構生物學研究的理想候選ZAR1，但利用病原菌蛋白HopZ1a未能成功激活ZED1-ZAR1抗病蛋白複合物。

　　周儉民團隊在2015年發現了病原細菌和植物之間令人驚歎的攻防策略：病原細菌的一個致病蛋白AvrAC精準破壞植物免疫系統中的關鍵組分，幫助細菌侵染植物寄主；而植物則利用特殊的“誘餌”PBL2和RKS1蛋白，感知AvrAC的活動並將信息傳遞給植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活免疫反應，清除細菌。之後兩個團隊就ZAR1抗病蛋白的結構生物學研究展開緊密合作。

　　同時王宏偉團隊長期致力於冷凍電鏡方法學的研究和改善，尤其在使用相位板技術解析小分子量蛋白質的結構方面經驗豐富，因此在較短時間內解析具有小分子量抗病蛋白非激活狀態的高分辨率結構具有很大可能性。

　　而柴繼傑團隊近年在動物炎症小體結構研究中取得了突破，由於組成炎症小體的蛋白與植物抗病蛋白具有諸多相似性，這些研究爲解析植物抗病蛋白結構積累了寶貴經驗。

　　在上述研究的基礎上，三個團隊進一步合作，以AvrAC與ZAR1爲體系研究植物抗病蛋白結構。經過多年協作攻關，成功地解析了植物抗病蛋白抑制狀態複合物RKS1-ZAR1、識別-啓動狀態複合物PBL2UMP-RKS1-ZAR1和激活複合物 (抗病小體，resistosome)的結構，詳細闡述植物抗病蛋白的工作機理。

　　小小抗病蛋白

　　可望大大減少農藥施用

　　在第一篇文章中，ZAR1通過自身多結構域組成的分子內互作和ADP分子介導的自我抑制機制被具體揭示（圖1A）；植物抗病蛋白通過識別病原菌蛋白AvrAC導致其核酸結合結構域（NBD）的構象變化和釋放ADP分子，從而解除ZAR自抑制進入啓動狀態（圖1B和1C）。

　　圖1 植物抗病蛋白的抑制狀態結構（A）、識別-啓動狀態結構（B）和啓動機理（C）示意圖

　　在第二篇文章中，ZAR1被AvrAC激活後，組裝成含三個亞基共15個蛋白的環狀五聚體蛋白機器，植物抗病蛋白的第一個激活複合物被成功捕捉並被正式命名爲“抗病小體”(resistosome) (圖2)。更爲重要的是，抗病小體結構的解析爲理解其生化功能提供了線索，奠定植物控制細胞死亡和免疫新模型的建立。

　　圖2 植物抗病小體不同視角的結構示意圖

　　兩篇文章的研究成果是通過對不同狀態複合物的結構和功能解析，闡明瞭抗病蛋白由抑制狀態，經過中間狀態，最終形成抗病小體的生化過程，合作團隊緊密結合結構、生化和功能研究，揭示了抗病小體工作機制（圖3）。比如，抗病小體形成後直接在細胞質膜上發出自殺指令，很可能是植物細胞死亡和免疫執行者。該項工作填補了人們25年來對抗病蛋白認知的巨大空白，爲研究其它抗病蛋白提供了範本。

　　圖3 植物抗病小體工作機制示意圖

　　在保護作物的同時，減少化學農藥的施用，一直是擺在農業生產者和科學家面前的一道難題。免疫療法即提高植物自身的免疫力方法被提出以解決這一問題。而解決這一問題的關鍵，就是植物細胞內數目衆多的抗病蛋白。這些蛋白髮現病菌後，迅速啓動植物防衛反應，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，將爲設計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發展綠色農業奠定了核心理論基礎。

　　英國皇家學會會士、歐洲科學院院士Sophien Kamoun專門爲該項成果錄製視頻點評：“這真是一個令人震驚和漂亮的結構……更讓人振奮的是，他們提出了一個我們領域從未有過的全新模型，給植物免疫領域帶來很多啓示。”

　　“這是一個被全世界研究了20多年的難題，很高興這個難題在中國、在清華大學由我們的學者們第一步攻克。”參加發佈會的武漢大學高等研究院院長朱玉賢院士發言道，“這個問題要是解決了，將會在農業上發揮重要的作用。”

　　中國農業科學院植物保護研究所所長周雪平教授也表示：“這項工作是我們植物保護領域，包括植物學領域里程碑式的成果。”

　　· 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

　　· 專文評述

　　夏石頭李昕(2019).開啓防禦之門：植物抗病小體.植物學報

　　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 | 清華大學生命學院王繼縱 安麗娜

　　圖 | 清華大學生命學院

　　編輯 | 張靜