【携程】抗病小体，探索植物免疫新途径

　　作者：柴继杰（西湖大学植物免疫学讲席教授）

　　植物抗病基因能有效保护农作物免受病虫害侵害，抗病小体显著减少化肥和农药使用。探索因此，植物通过对植物免疫抗病蛋白进行调控实现绿色防控显得尤为关键。免疫抗病小体，新途这一由我国科学家提出的抗病小体携程概念，迅速获得了国内外专家同行的探索广泛认可和高度评价。一系列研究成果突破了20多年来对植物抗病理论的植物传统认识，为设计广谱、免疫持久的新途新型抗病蛋白和发展绿色农业奠定了关键理论基础。而对抗病小体的抗病小体研究结合了结构生物学、生物化学、探索电生理学和植物病理学等多学科手段，植物成为多学科交叉合作的免疫经典案例。

　　抗病蛋白，新途植物的免疫系统

　　植物和人类一样，经常会受到各种病原体侵染。自人类进入农业社会以来，植物疾病始终是农业生产中的重大难题。统计数据显示，这些病原体引发的疾病能使粮食作物产量减少约11%至30%，对全球农业生产造成严峻挑战。虽然人们早就注意到作物轮作等方法可以防止某些疾病的发生，但目前在农业生产中仍主要采用化学农药来防病及抗病，这不仅污染环境，夸克还对食品安全和人类健康产生负面影响。探索研究植物抗病机理，培育具有高抗病能力的农作物，对粮食安全具有深远的意义。

　　植物不能像动物一样自由移动，也无法主动避开病原微生物，但植物在长期进化过程中，发展出了复杂的多层次免疫系统来抵御病原体。在病原体入侵植物时，植物细胞膜上的模式识别受体（PRR）会识别病原菌的保守模式分子，从而启动第一层免疫反应。这种反应具有广谱性，可防御大多数病原体的侵染。与此同时，病原体在不断进化，部分病原体能通过三型分泌系统分泌致病因子进入细胞内，致使第一层免疫反应失效，从而无法有效启动第一层免疫反应，病原体就可以有效扩增繁殖并导致疾病的发生。

　　庆幸的是，在病原体进化的同时，植物也相应进化出了第二层免疫反应——被病原体入侵细胞含有特异抗病蛋白，可以识别病原体分泌的效应蛋白，启动一系列更为特异且强烈的汽车之家免疫反应，进而消灭病原体。为了阻止病原体进一步扩散，第二层免疫反应甚至会以牺牲植物局部细胞的代价，一举消灭病原体。

　　1905年，英国小麦遗传学家比芬首次在小麦中发现了抗病基因，这也标志着植物抗病性遗传研究的开始。1947年，美国学者哈罗德·H·弗洛尔在研究亚麻锈病抗性过程中，提出植物抗病领域的“基因对基因”假说，针对宿主的每一个抗病性基因，病原菌方面也相应存在一个决定致病性基因，这为后续寻找病原菌的致病因子和植物抗病蛋白奠定了理论基础。其中，绝大多数植物抗病蛋白为NLR型抗病蛋白。1994年，科学家成功克隆了第一个NLR抗病基因。随着分子生物学技术的发展，至今已经克隆了至少200多个NLR抗病基因，该类NLR抗病基因可以产生NLR抗病蛋白，并广泛应用于作物的抗病育种。

　　简单来说，植物在面对病原体时，通过抗病蛋白这个特异“受体”来启动相应的免疫系统，减少对自身的伤害。对植物免疫系统的深入研究，尤其是对抗病蛋白的研究，极大地拓展了对植物免疫系统运作机制的理解。这些知识对于开发新型的、更环保的植物抗病策略具有重要意义，有助于推动农业可持续发展。

　　抗病小体，冉冉升起的学术“新星”

　　NLR蛋白在不同生命界（包括细菌、植物和动物）中广泛存在，并参与免疫过程。在动物中，NLR蛋白数量较少，主要负责识别病原体来源的共有模式分子或宿主的危险相关模式分子，从而激活先天免疫反应。与动物不同，植物的NLR蛋白通过识别病原微生物分泌到宿主细胞内的特异性致病效应因子，启动免疫反应，这一特异的对应识别机制是植物免疫的核心，它通过激活下游信号传导通路，增强植物对病害的抵抗力，从而有效保护植物健康。

　　鉴于植物面临的病原体种类繁多，且每个病原体可携带多种致病因子，植物进化出了大量特异的抗病蛋白以识别这些因子，例如拟南芥约有150个、水稻约有450个、苹果约有750个NLR抗病蛋白。这表明植物NLR蛋白的作用机制可能比动物的更为复杂。

　　自从植物NLR抗病蛋白被发现以来，许多围绕NLR的问题急需回答：NLR如何特异识别病原菌？NLR的活化机制是什么？NLR活化后如何起始免疫反应？在没有病原菌时，NLR又如何保持抑制状态……这些问题的回答急需对NLR抗病蛋白进行结构解析，但由于植物NLR抗病蛋白表达量普遍较低、分子量大且构象多变，对其完整的三维结构解析一直是植物免疫学领域的重大挑战。同时，由于对植物NLR的作用机制尚不清楚，植物领域对这一类蛋白的认识主要借鉴动物中研究较清楚的凋亡相关蛋白Apaf1的研究结论，推测NLR抗病蛋白可能需要通过中间接头蛋白介导来发挥抗病功能。我们团队2004年开始聚焦动植物免疫抗病蛋白研究，2013年到2018年，相继解析了动物NLRC4免疫蛋白不同状态的结构，为推动植物免疫蛋白结构解析提供了线索。2015年，我与中国科学院植物遗传发育所研究员周俭民合作，开始研究植物NLR抗病蛋白ZAR1的结构与功能。经过不懈努力，2019年在清华大学王宏伟电镜研究组的协助下，成功解析了植物第一个完整抗病蛋白ZAR1三种不同状态的结构：抑制态、中间态和五聚化的激活态结构。这一突破性成果首次揭示了植物CNL类抗病蛋白在没有病原菌存在时，是如何通过核苷酸和多结构域之间的相互作用维持抑制状态的，同时揭示了在病原菌效应因子的作用下，NLR变构和寡聚化组装的完整分子机制。这是自1994年第一个NLR蛋白克隆以来，植物抗病领域取得的重大突破。

　　五聚化的激活态结构像一个风火轮，也像一朵紫荆花。我们的激活态结构形成了中空的漏斗状，通过对结构的详细分析，提示它可能是通过影响植物细胞膜的完整性来启动抗病反应的。该发现对植物抗病研究领域具有开创性意义，因为它挑战了传统观念，即植物NLR识别效应蛋白并寡聚化后可能招募其他接头蛋白以启动防御反应。进一步的功能研究提示，植物抗病蛋白寡聚化后可能直接干扰细胞膜的稳定性，从而触发下游的抗病反应。NLR抗病蛋白的这一活化模式完全不同于动物中凋亡小体或者炎症小体需要通过接头蛋白来激活下游通路的模式。

　　这一突破性研究以两篇长文的形式发表在2019年4月5日的国际学术期刊《科学》上，填补了植物NLR介导的免疫信号转导研究领域的空白。借鉴动物炎症小体和植物抗病蛋白的生物学功能，我们团队将寡聚化的抗病蛋白结构命名为“抗病小体”。

　　由于抗病小体的巨大科学意义，同期《科学》杂志还发表了国际植物抗病研究知名科学家、美国科学院院士杰夫瑞·丹格尔和英国皇家学会院士乔纳森·琼斯的专题评论，对这一重大突破性成果给予了高度评价。植物抗病小体的发现被形象地称为“冉冉升起的新星”，反映了其五聚化结构对植物抗病领域研究的重大意义。

　　2021年，我们进一步在植物中确认ZAR1抗病蛋白确实可以通过在细胞膜上形成钙离子通道或孔道，来触发植物的免疫反应。这项开创性的研究将植物抗病蛋白与重要的生物第二信使——钙离子联系了起来，为植物抗病机制的研究开辟了新方向。

　　钙信号，植物抗病的共性起点

　　伴随着第一个ZAR1抗病小体的解析，人们对于植物免疫过程有了全新认识。如果ZAR1抗病小体通过形成钙离子通道/孔道来激活免疫反应的机制，在诸如小麦这样的单子叶植物中的NLR也具有广谱性，那么对于粮食作物的抗病育种研究将具有重大影响，对中国这样的农业大国意义尤为深远。

　　针对此问题，我们与合作伙伴一起针对小麦中的抗病蛋白Sr35与小麦秆锈病病原菌的效应因子AvrSr35形成的复合物展开研究，并以冷冻电镜解析了其活化状态结构。研究发现，与ZAR1抗病小体类似，Sr35抗病蛋白通过其LRR结构域（编者注：一种蛋白质结构域）直接识别效应蛋白，并形成五聚化的抗病小体。我们和中国科学院遗传与发育生物学研究所的陈宇航课题组合作，证实了Sr35抗病小体确实能够在质膜上形成通透钙离子的离子通道/孔道从而发挥免疫抗病作用。这些研究清晰表明，不同单双子叶来源的植物CNL类抗病蛋白都是通过形成抗病小体，在细胞膜上形成钙离子通道/孔道，从而通过钙信号激活植物的免疫反应。在与德国马克斯·普朗克植物育种研究所的合作中，我们揭示了Sr35抗病小体在植物细胞和植物体内都可以引起抗病作用。进一步通过实验表明，仅仅通过替换抗病小体LRR结构域就可以改变其效应蛋白的识别特性，进而扩展这些NLR蛋白的抗病谱，这为粮食作物的抗病育种和作物保护提供了一种简单易行的新策略。

　　今年，我们又发表了一项与茄科植物有关的发现。在包括番茄、烟草的茄科植物中，有一类特别的NLR蛋白叫作NRC，它是植物细胞死亡所需要的一类NLR蛋白。尽管我们先前的研究揭示植物NLR可以通过结构域之间的相互作用维持抑制状态，但是许多NLR类蛋白的过表达经常破坏这种自抑制从而导致自发性免疫的发生，并且这种反应经常需要消耗大量的能量，使得植物生长受限、产量下降。但是在茄科中，即便在没有病原菌侵染时，这些蛋白的表达量依然很高。因此，如何在没有病原菌侵染时保持这些蛋白的抑制状态是一个未解之谜。

　　我们与合作伙伴通过结构生物学和生物化学的方法，首次揭示了一种茄科NRC蛋白，即NRC2的抑制态结构，除了具有常规的分子内不同结构域相互作用维持自抑制的状态外，它还通过单体之间的寡聚化来增强自我抑制状态。特别值得注意的是，该研究发现一种重要的小分子——肌醇磷酸，它在NRC2蛋白的免疫作用中起到了重要辅助作用，由于以前的研究揭示肌醇磷酸在植物生长发育中起重要作用，这一发现可能提示NRC2蛋白介导的免疫作用可能与植物的其他生命过程有着密切关系，为未来研究免疫与生长的关系奠定基础。

　　植物中除了CNL免疫蛋白，我们针对另一类同样发挥重要作用的NLR蛋白，即TNL免疫蛋白，也展开了一系列研究。课题组通过电镜技术成功解析了TNL类抗病蛋白的四聚体活化状态结构，并揭示这一类抗病小体具有NAD+水解活性和RNA水解酶活性，功能研究揭示这些酶活性对植物的抗病必不可少。目前新的研究进一步揭示TNL类抗病蛋白产生的多种核苷第二信使可以进一步激活一类特殊的CNL类蛋白，这些特殊的CNL蛋白活化后形成生物膜上钙离子通道/孔道来启动植物的免疫反应。

　　展望未来，我们的研究揭示植物不同类型NLR抗病蛋白最后都汇聚到钙信号起始植物的抗病过程，表明植物钙信号在植物抗病中的重要意义。钙信号是如何介导植物抗病反应的，也是植物抗病领域的下一个研究重点。期望科研人员通过不懈努力，能探索、发现抗病蛋白更多的奥秘。也期待在不久的将来，这些科研成果能应用于农业生产，为保障人类粮食安全、食品安全贡献力量。

　　《日报》（2024年10月31日 16版）