為了減少病蟲害給作物造成的損失，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不得不依賴化學農(nóng)藥，但這又對環(huán)境、人類健康和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了挑戰(zhàn)。如何在保護作物的同時，又能減少化學農(nóng)藥的施用，成為擺在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和科學家面前的一道難題。

近日，我國科學家研究出的一項重要成果有望解決這一難題。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通過聯(lián)合研究，在植物中發(fā)現(xiàn)由抗病蛋白組成的抗病小體并解析其冷凍電鏡結構，揭示了抗病蛋白管控和激活的核心分子機制。該成果的研究和應用有望充分調動植物自身抵御病蟲害的能力，對于培育抗病蟲農(nóng)作物、大幅減少農(nóng)藥使用量具有重要的現(xiàn)實意義。

相關成果日前以兩篇長文在國際權威學術期刊《科學》上發(fā)表。這是中國科學家在植物免疫研究領域取得的歷史性重大突破，該項科研新成果被國外同行點贊。中國工程院院士、西北農(nóng)林科技大學教授康振生評價，這是植物免疫研究領域取得的里程碑式成果，或將引領未來植物病理學和免疫學的發(fā)展。

和人體內有免疫系統(tǒng)一樣，科學家發(fā)現(xiàn)，植物在漫長的進化過程中也“修煉”出了完備的免疫防御系統(tǒng)，可以對病原微生物的入侵奮起反抗。植物免疫系統(tǒng)的基礎組成就是植物細胞內數(shù)目眾多的抗病蛋白——它們是監(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”。但抗病蛋白被發(fā)現(xiàn)至今已有25年，人們仍然不清楚其工作原理，沒能解析抗病蛋白發(fā)揮功能的核心機制，成為制約其應用的巨大瓶頸。

周儉民團隊在2012年和2015年的兩項研究中，發(fā)現(xiàn)了病原細菌和植物之間令人驚嘆的攻防策略。病原細菌的一種致病蛋白精準破壞植物免疫系統(tǒng)中的關鍵組分，幫助細菌侵染植物;而植物則利用特殊的“誘餌”蛋白，感知該致病蛋白的活動并將信息傳遞給一種植物抗病蛋白，迅速激活植物的免疫反應，清除細菌。

柴繼杰團隊自2004年以來一直主攻抗病蛋白的的結構解析，王宏偉團隊的研究焦點和特長是對蛋白質的高分辨率冷凍電鏡重構，加上周儉民團隊的深入研究，這為解析抗病蛋白結構提供了強有力的技術支撐。三個團隊經(jīng)過多年協(xié)作攻關，成功地組裝了包含激活這種植物抗病蛋白的復合物。進一步研究發(fā)現(xiàn)，這種抗病蛋白被致病蛋白激活后，組裝成含3個亞基共15個蛋白的環(huán)狀五聚體蛋白機器，形成抗病小體。

抗病小體能對植物防御系統(tǒng)發(fā)出強大的動員命令，并在植物細胞膜上發(fā)出自殺指令，讓受到感染的少數(shù)植物細胞和入侵的病原菌同歸于盡，從而阻止病原菌擴散，保護其他健康細胞。令人驚嘆的是，抗病小體與人類免疫中的炎癥小體的形成機制和作用極為相似，因此對研究動物天然免疫也有借鑒意義。

“該項研究填補了人們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。”周儉民表示，抗病蛋白發(fā)現(xiàn)病菌后，可以迅速啟動植物防衛(wèi)反應，殺死病菌，從而保護植物免受侵害。利用抗病蛋白，發(fā)展新的病蟲害防控手段，將大大減少化學農(nóng)藥的施用。

周儉民說，未來這項技術既可以應用于農(nóng)作物的育種階段，培育出可以抗病害的農(nóng)作物;也可以用于制作“干擾劑”，在農(nóng)作物生長過程中使用，增強對病害的抵御能力。“目前研究看，這項技術應用到茄子、辣椒、西紅柿以及油菜等果蔬相對簡單，并且容易操作，相對比較容易在短期內就造福我們的生活。”

柴繼杰表示：“植物一般無法移動，遭遇病蟲害時不能像動物那樣逃離。盡管體內抗病蛋白數(shù)量眾多，但總有防不勝防的疾病來襲，而抗病小體可以組合作戰(zhàn)，使其應對陌生病毒的本領增強了。”而搞清楚抗病小體的工作機制，對未來進一步展開抗病蛋白的研究是至關重要的一步。

周儉民也提到，“免疫反應過度表達也會給植物帶來危害。那么，這個度在哪里?我們如何能夠精準地控制這個‘開關’?這些都還需要下一步的深入研究。”周儉民表示，研究團隊將沿著這個方向繼續(xù)努力。