我國科研團隊揭示植物和病原之間的“軍備競賽”

許天穎 張臻瑋 中青報·中青網(wǎng)記者 李超

北京時間12月15日零點，國際學術(shù)期刊《自然》（Nature）在線發(fā)表南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院陶小榮教授團隊最新成果，該成果首次揭示病毒攻擊植物激素受體有利自身侵染，植物則進化出了一種免疫受體模擬受攻擊的激素受體，從而識別病毒、并激活免疫反應(yīng)，研究揭示了植物免疫受體監(jiān)控病毒靶向激素受體的全新機制。

據(jù)了解，全球每年因病毒病造成的作物經(jīng)濟損失超過4000億元，與其他農(nóng)作物病害不同，病毒病無法依靠農(nóng)藥進行防治，挖掘、利用植物的抗病基因是防控病毒病最綠色高效的手段。一種被稱為NLR的抗病基因是植物進化出來的最大的一類抗病基因，在許多病蟲害防控中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。植物NLR免疫受體如何識別病原微生物？如何激活植物自身的免疫系統(tǒng)？這是合理利用抗病基因、實現(xiàn)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)，也是植物病理學領(lǐng)域的核心科學問題。

(資料圖)

偶然發(fā)現(xiàn)的大膽假設(shè)

病原微生物非常“狡猾”，為了侵染傳播，會利用自身“武器”攻擊寄主植物，在與作物的彼此較量中，攻擊與抵御不斷升級，病原物的“武器”越發(fā)多樣，植物也由此進化出更加周密的防御系統(tǒng)，在肉眼不可見的微觀世界，植物和病原之間的軍備之戰(zhàn)，每時每刻都在上演。

免疫受體是如何監(jiān)控病毒，掀起這場“軍備競賽”的？團隊這一全新機制的發(fā)現(xiàn)來自一次偶然的實驗發(fā)現(xiàn)。

“我們在實驗中注意到，辣椒NLR免疫受體Tsw的大小很奇特，其大小是常規(guī)NLR免疫受體的兩倍?！碧招s介紹，通過三維結(jié)構(gòu)建模和同源比對分析發(fā)現(xiàn)，在Tsw中具有一個超大的富含亮氨酸重復(fù)序列結(jié)構(gòu)域，更令人吃驚的是，該結(jié)構(gòu)域竟然與植物激素茉莉酸、生長素和獨腳金內(nèi)酯這三個植物激素受體相似。

Tsw是針對番茄斑萎病毒的抗病基因，該病毒是最具破壞性的植物病毒之一，每年在全球范圍內(nèi)對辣椒、番茄等重要經(jīng)濟作物造成嚴重的經(jīng)濟損失，而Tsw通過識別病毒編碼的NSs蛋白，進而誘導(dǎo)了對病毒的免疫反應(yīng)。

這促使團隊提出了一個大膽的“軍備競賽”的假設(shè)：病毒NSs蛋白直接攻擊三個植物激素受體利于病毒侵染，而Tsw這個免疫受體通過模擬激素受體、繼而監(jiān)視病毒，最終通過激活植物免疫系統(tǒng)實現(xiàn)抗病這一過程。

病毒攻擊植物激素受體利于自身侵染

陶小榮團隊深入研究發(fā)現(xiàn)，在植物的防御體系中，茉莉素、生長素等激素信號系統(tǒng)在抵御病毒的侵染中發(fā)揮重要作用，其中激素受體是激素信號啟動的關(guān)鍵開關(guān)。

但在日漸激烈地對戰(zhàn)中，病毒利用自身的武器“效應(yīng)子NSs”直接靶向激素受體，進而抑制植物激素介導(dǎo)的抗病反應(yīng)。病毒效應(yīng)子NSs首先與激素受體上一種名為TCP21的蛋白質(zhì)結(jié)合。這個蛋白質(zhì)就像鎖鏈，病毒一旦與之結(jié)合，就能抑制激素受體的活性，束縛住激素的‘手腳’，不讓它們?nèi)ゼせ罴に亟閷?dǎo)對病毒的抗性。

這樣一來，由激素系統(tǒng)激發(fā)的免疫通路就陷入了癱瘓。然而，病毒的這一招卻并未“致命”，反而誘發(fā)了這場植物與病毒攻守之戰(zhàn)的“軍備升級”。

雖然激素介導(dǎo)的這一層免疫系統(tǒng)淪陷，植物另一層免疫系統(tǒng)卻在暗中儲備兵力——團隊發(fā)現(xiàn)，植物免疫受體Tsw進化出來模擬植物激素受體的結(jié)構(gòu)域，Tsw模擬激素受體結(jié)構(gòu)域也與TCP21結(jié)合，并巧妙利用了病毒蛋白“捆大繩”的特性，在病毒蛋白NSs存在下，TswNLR免疫受體與TCP21相對于激素受體與TCP21具有更強的親和力。在這場“反擊戰(zhàn)”中，免疫受體Tsw以“瞭望塔”的方式監(jiān)測到了敵情，并且進化出了一套與激素系統(tǒng)一模一樣的結(jié)構(gòu)，引誘病原菌對其發(fā)起類似攻擊，進而順利觸發(fā)免疫。

這是植物防御-病毒反防御-植物再防御的“軍備競賽”新升級，在這一場斗爭中，植物免疫系統(tǒng)最終殲滅了病毒。

研究為作物抗病生產(chǎn)應(yīng)用提供廣闊前景

陶小榮介紹，激素介導(dǎo)的抗病是一種基礎(chǔ)抗病性，是一種比較弱的抗性。NLR免疫受體蛋白介導(dǎo)的抗病性則是非常強烈持久的抗病，可以有效滅除病原菌。在病毒效應(yīng)子NSs存在的情況下，植物通過這一機制“選擇”了更為強烈的NLR免疫反應(yīng)，誘敵深入，從而更好地保護自己，這為作物抗病的生產(chǎn)應(yīng)用提供了廣闊前景。

中國工程院院士、西北農(nóng)林科技大學植物保護學院教授康振生認為，該成果精細解析了植物病毒致病機理和作物抗病機制，為植物免疫學揭開了新的一頁，為后續(xù)發(fā)展新的抗病技術(shù)、培育新的抗病材料奠定了理論基礎(chǔ)，有利于科學家們更好地探討植物病蟲害綠色防治，從而為提升作物健康、糧食安全、食品安全等重要議題提供了可選擇的路徑。

中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員周儉民表示，病毒是病原微生物中最小最簡單的一種，但是人類至今對病毒了解得不多。該研究成果深入研究了抗病毒基因，這些發(fā)現(xiàn)將有利于人類更好地認識作物病害發(fā)病機制、作物抗病過程，為提升農(nóng)林業(yè)綠色防控、改良農(nóng)作物，提供了可能的應(yīng)用前景。

《自然》審稿專家在成果評價中表示，這一研究結(jié)果提供了一個復(fù)雜的“效應(yīng)子毒性-NLR反毒性”的令人神奇的例子，辣椒上的抗病基因Tsw可有效控制番茄斑萎病毒，Tsw監(jiān)測病毒NSs對多種植物激素受體的攻擊的發(fā)現(xiàn)非常精彩，該發(fā)現(xiàn)將對植物免疫學相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。

該論文第一署名單位為南京農(nóng)業(yè)大學，博士生陳靜與趙延曉為論文共同第一作者，陶小榮教授為通訊作者。

3個月前，《自然》（Nature）刊發(fā)南農(nóng)大作物免疫團隊與合作者揭示的植物受體抗病“雙重免疫”功能的最新成果。在南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院，在國際頂刊連續(xù)發(fā)表原創(chuàng)性成果已經(jīng)不是第一次，2017年該學院關(guān)于病菌致病新機制和昆蟲測報算法的研究就曾在一周內(nèi)連續(xù)登頂《科學》（Science）。

來源：中國青年報客戶端

關(guān)鍵詞： 免疫受體 激素受體 植物激素 免疫系統(tǒng) 軍備競賽