植物看上去似乎一動不動，但它們對於病毒細菌的侵襲可不會逆來順受。植物細胞內數目眾多的抗病蛋白，既是監控病蟲侵害的「哨兵」，也是動員植物防衛系統的「指揮官」。不過，抗病蛋白被發現至今雖然已有25年，人們仍不清楚它的工作原理。
解放日報·上觀新聞記者獲悉，中國科學院遺傳與發育生物學研究所周儉民團隊、清華大學柴繼傑團隊和王宏偉團隊，最近在植物免疫研究領域取得歷史性重大突破。合作團隊發現由抗病蛋白組成的抗病小體並解析了其工作原理，為發展新的病蟲害防控手段提供了可能。相關成果以兩篇長文形式於北京時間4月5日凌晨發表在國際權威學術期刊《科學》上。
五聚抗病小體結構。分別顯示頂部(左)和側面(右)檢視。
填補了25年來對植物抗病蛋白認知的空白
「大家一直認為抗病小體應該存在，但沒人發現過，更不知道它是什麼樣子。這真是一個令人震驚和漂亮的結構！」英國皇家學會會士、歐洲科學院院士凱茂恩教授說。
抗病蛋白理論研究的一個巨大瓶頸在於缺乏蛋白質結構。抗病蛋白的構成複雜、分子量大、且構象多變，對解析其結構帶來了極大困難。自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年以來一直主攻於此，並於近年在動物炎症小體結構研究中取得了突破。由於炎症小體的蛋白質與植物抗病蛋白具有諸多相似性，這些研究為解析植物抗病蛋白結構積累了寶貴經驗。
周儉民團隊發現了病原細菌和植物之間令人驚歎的攻防策略。如果把病原細菌比喻為一隻老鼠，植物的抗病蛋白就是捕鼠器上的一個利器，而誘餌蛋白就是捕鼠器上的那塊乳酪。當老鼠來偷乳酪時，捕鼠器能感知到老鼠的活動，並將資訊傳遞給這個利器，迅速啟用免疫反應，逮住老鼠。
王宏偉團隊長期致力於冷凍電鏡方法學的研究、提高和改善，對蛋白質的高解析度冷凍電鏡重構一直是該團隊的研究焦點和特長，這為解析抗病蛋白結構提供了強有力的技術支撐。
經過多年協作攻關，他們成功地組裝了包含啟用抗病蛋白的複合物(抗病小體)，闡明瞭抗病蛋白從靜息狀態經過中間狀態最終形成抗病小體的生化過程，揭示了抗病小體的工作機制。抗病小體具有重新調動防禦系統的能力，並在植物細胞膜上發出自殺指令，讓受到感染的植物細胞與細菌同歸於盡，從而保護其它健康細胞。該項工作填補了人們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範本。研究還發現，植物抗病小體的組裝方式、結構與功能，與動物免疫中的炎症小體有著驚人的相似，展現了在不同生命形式中，進化對免疫形成的力量。
發展新的病蟲害防控手段，將大大減少農藥的施用
在《科學》雜誌同期發表的專文評述中，國際植物抗病研究權威科學家傑弗瑞·丹格和喬納森·瓊斯高度評價：「首個抗病小體的發現，為植物如何控制細胞死亡和免疫提供了線索。」《植物學報》同時發表國際著名植物抗病專家李昕等人的專文評述，他們認為該項成果是「植物免疫研究的里程碑事件」。
近年來，各種農作物病蟲害給我國糧食產量造成的損失逐年上升，每年損失的糧食相當於2-3億人一年的口糧。為了減少損失，農業生產中不得不大量施用化學農藥，但這又對環境、人類健康和農業可持續發展帶來了挑戰。目前，中國農藥的施用量佔全世界總量的三分之一。在保護農作物的同時，如何減少化學農藥的施用，成為擺在農業生產者和科學家面前的一道難題。
「要想少打藥甚至不打藥，提高植物自身的免疫力是一把『鑰匙』。」周儉民研究員介紹，植物免疫力的關鍵是抗病蛋白。抗病蛋白髮現病菌後，會迅速啟動植物防衛反應，殺死病菌，從而保護植物免受侵害。利用抗病蛋白，發展新的病蟲害防控手段，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，將為設計抗廣譜、持久的新型抗病蛋白，發展綠色農業，奠定理論基礎。
