7年前的一個(gè)周六晚上，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院教授陶小榮照例和學(xué)生們交流研究進(jìn)展。學(xué)生陳靜剛剛做出來(lái)的辣椒免疫受體Tsw的電泳圖結(jié)果引起了他的注意。
“這個(gè)受體是同類型其它受體的兩倍大小。為什么它會(huì)這么大？它到底有什么功能？” 陶小榮覺(jué)得，這個(gè)看似偶然的現(xiàn)象很可能是揭秘植物抗病機(jī)制的重要線索。“只有做重要的科學(xué)問(wèn)題，才能出重大的突破。”
(資料圖片僅供參考)
此后，他們?cè)谶@片“無(wú)人區(qū)”堅(jiān)持不懈的探索，并第一次揭示了病原物效應(yīng)子直接靶向植物激素受體促進(jìn)侵染，而植物NLR免疫受體模擬受攻擊的激素受體監(jiān)控病毒效應(yīng)子的干擾，并激活免疫機(jī)制的新機(jī)制。
12月15日，這一研究成果在線發(fā)表于《自然》雜志。中國(guó)工程院院士康振生說(shuō)，這一新的進(jìn)展，為我國(guó)植物免疫學(xué)研究揭開(kāi)了新的一頁(yè)，提供了新的思路；為抗病育種等應(yīng)用前景奠定了必不可少的理論基礎(chǔ)和技術(shù)途徑。
一張電泳圖引發(fā)的研究
電泳圖結(jié)果中，辣椒免疫受體基因Tsw的大小是6.3kb。而一些經(jīng)典的NLR免疫受體基因只有3kb。能敏銳地觀察到這個(gè)“異常”，是由于這個(gè)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)深耕植物免疫系統(tǒng)研究多年。
陶小榮告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，當(dāng)時(shí)他們正在研究番茄斑萎病毒，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(duì)辣椒、番茄等重要經(jīng)濟(jì)作物造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。
番茄感染番茄斑萎病毒后癥狀。南京農(nóng)大供圖
辣椒感染番茄斑萎病毒后癥狀。南京農(nóng)大供圖
然而，經(jīng)歷了千萬(wàn)年的進(jìn)化，病原微生物和植物之間一直在進(jìn)行著復(fù)雜而精細(xì)的進(jìn)攻與防御的“軍備競(jìng)賽”。想要在這場(chǎng)紛亂的“戰(zhàn)爭(zhēng)”中厘清機(jī)制，并不是一件容易的事。
陶小榮解釋說(shuō)，病原微生物為了自己的侵染和傳播，需要入侵到植物體內(nèi)，它利用自己的“武器”去攻擊寄主植物；而植物為了自身的生存，需要跟病原物去戰(zhàn)斗，從而進(jìn)化出防御系統(tǒng)監(jiān)控并銷毀病原物“武器”的攻擊。
“在彼此戰(zhàn)斗過(guò)程中，病原物的‘武器’會(huì)越來(lái)越多樣化，而植物也會(huì)進(jìn)化出越來(lái)越多樣化的防御系統(tǒng)，阻止病原物的進(jìn)攻，這就是植物和病原之間的‘軍備競(jìng)賽’。”陶小榮說(shuō)，植物和病原之間的軍備競(jìng)賽機(jī)制是一個(gè)復(fù)制而精密的系統(tǒng)，搞清楚里面的一條條線索和機(jī)制，需要大膽地假設(shè)和小心地求證。
“找到重要的線索，這個(gè)就是做科研的奧秘所在。”陶小榮說(shuō)，已知Tsw是辣椒中針對(duì)番茄斑萎病毒的抗病基因，它編碼一個(gè)NLR免疫受體，通過(guò)識(shí)別病毒編碼的效應(yīng)子NSs蛋白進(jìn)而誘導(dǎo)植物對(duì)病毒的免疫反應(yīng)。這正是論文共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院博士生陳靜能夠在對(duì)Tsw的研究中發(fā)現(xiàn)重要線索的原因。
陳靜介紹，然而Tsw-NLR受體蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)上比對(duì)不到什么有用的信息，此前也沒(méi)有其他相關(guān)研究可以參考，無(wú)法解析Tsw這么大的功能是什么。因此他們就開(kāi)始分析該蛋白的三維結(jié)構(gòu)模型，希望找到有用的線索。
“這是一個(gè)知識(shí)盲區(qū)，用現(xiàn)有的知識(shí)體系還無(wú)法解釋這樣的現(xiàn)象。前沿研究是無(wú)人區(qū)。”陶小榮說(shuō)，這個(gè)課題經(jīng)歷過(guò)一波三折，克服一道道困難，沒(méi)有堅(jiān)持是不可能完成的。
“模擬”激素受體 “誘騙”病毒效應(yīng)子
通過(guò)三維結(jié)構(gòu)建模和同源比對(duì)分析發(fā)現(xiàn)，在Tsw中具有一個(gè)超大的富含亮氨酸重復(fù)序列結(jié)構(gòu)域（LRR）。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(zhǎng)素和獨(dú)腳金內(nèi)酯這三個(gè)植物激素的受體相似。
在植物復(fù)雜而精細(xì)的免疫系統(tǒng)中，由激素激發(fā)的免疫途徑在抗病過(guò)程中發(fā)揮重要作用。陶小榮介紹，茉莉酸參與抗病和抗蟲(chóng)，這都是過(guò)去眾所周知的。生長(zhǎng)素參與植物的生長(zhǎng)，比如向光性，但也參與對(duì)病毒的抗性。獨(dú)腳金內(nèi)酯參與植物分蘗，也曾被報(bào)道可以抗病和抗線蟲(chóng)。
在激素通路中，激素受體感受到激素后，會(huì)啟動(dòng)下游一系列的基因進(jìn)行轉(zhuǎn)錄重編程。茉莉酸受體COI1、生長(zhǎng)素受體TIR1和獨(dú)腳金內(nèi)酯受體搭檔蛋白MAX2都帶有一個(gè)LRR結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域起著啟動(dòng)激素通路的作用。而Tsw-NLR受體蛋白中的LRR結(jié)構(gòu)域正是與激素受體的LRR結(jié)構(gòu)域相似。
“這直接促使我們提出一個(gè)‘軍備競(jìng)賽’的假說(shuō)：病毒會(huì)攻擊這三種植物激素的受體，而Tsw這個(gè)NLR免疫受體是用來(lái)監(jiān)控病毒的這種攻擊的。這是這個(gè)課題最重要的科學(xué)問(wèn)題。”陶小榮說(shuō)。
Tsw NLR免疫受體監(jiān)控病毒靶向激素受體誘導(dǎo)抗病的工作機(jī)制圖。南京農(nóng)大供圖
過(guò)去研究中有不少病原物效應(yīng)子攻擊植物激素通路的報(bào)道，但是沒(méi)有報(bào)道過(guò)病原物效應(yīng)子直接攻擊植物激素受體的例子，植物免疫系統(tǒng)是否能夠監(jiān)控效應(yīng)子也不知道。
不過(guò)，科學(xué)家已經(jīng)知道，Tsw通過(guò)識(shí)別病毒效應(yīng)子NSs，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生強(qiáng)烈的抗病反應(yīng)。“于是我們想到，病毒NSs蛋白會(huì)攻擊這三種植物激素的受體，而Tsw這個(gè)免疫受體則進(jìn)化出類似于植物激素受體的結(jié)構(gòu)域，通過(guò)模擬植物激素受體，‘誘騙’病毒效應(yīng)子NSs，繼而監(jiān)視病原物攻擊過(guò)程，最終通過(guò)植物免疫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)抗病這一過(guò)程。”陶小榮說(shuō)。
“魔”高一尺“道”高一丈
進(jìn)一步的研究證實(shí)了這個(gè)猜測(cè)。病毒效應(yīng)子NSs與三種植物激素通路互作時(shí)，并不直接與激素受體相互作用，而是與一種名為TCP21的蛋白質(zhì)直接相結(jié)合，TCP21能夠與三種激素受體相互作用并抑制激素信號(hào)的活性。
陶小榮解釋，當(dāng)TCP21與病毒效應(yīng)子一結(jié)合，就好像形成了一條遏制激素活性的繩索，將激素受體牢牢捆綁在一起，束縛了它們的手腳，活力自然大大降低。這樣一來(lái)，由激素系統(tǒng)激發(fā)的免疫通路就陷入了癱瘓。
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(chǔ)備“兵力”。論文共同第一作者、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物學(xué)院博士生趙延曉介紹，植物免疫受體Tsw進(jìn)化出來(lái)模擬植物激素受體的結(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，Tsw—NLR免疫受體與TCP21的結(jié)合，相對(duì)于激素受體與TCP21的結(jié)合具有更強(qiáng)的親和力。
因此，病毒靶向激素受體的時(shí)候，NLR免疫受體Tsw會(huì)率先感知到這個(gè)過(guò)程，進(jìn)而迅速觸發(fā)免疫反應(yīng)。
“TCP21同時(shí)跟三個(gè)激素受體互作，病毒效應(yīng)子NSs通過(guò)靶向TCP21把三種激素受體全部‘干掉’，這是病毒的‘高明’之處。而植物免疫受體Tsw—NLR進(jìn)化出來(lái)模擬植物激素受體的結(jié)構(gòu)域，也與TCP21互作，病毒效應(yīng)子NSs靶向三個(gè)激素的時(shí)候，免疫受體Tsw—NLR憑借更強(qiáng)的結(jié)合力會(huì)提前感知到這個(gè)過(guò)程，并與病毒效應(yīng)子NSs結(jié)合，激發(fā)下游免疫反應(yīng)。這是植物免疫受體的‘高明’之處。”陶小榮說(shuō)。
而且，激素介導(dǎo)的抗病是一種比較弱的基礎(chǔ)抗病性。NLR免疫受體蛋白介導(dǎo)的抗病性則非常強(qiáng)烈持久，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(guò)這一機(jī)制“選擇”了更為強(qiáng)烈的NLR免疫反應(yīng)，誘敵深入，從而更好的保護(hù)自己。“這為作物抗病的生產(chǎn)應(yīng)用提供了廣闊前景。”陶小榮說(shuō)。
新機(jī)制為抗病育種提供新思路
陶小榮強(qiáng)調(diào)，沒(méi)有病原菌時(shí)，NLR免疫受體這個(gè)“開(kāi)關(guān)”處于關(guān)閉狀態(tài)，這時(shí)抗性不啟動(dòng)；當(dāng)病原菌入侵時(shí)，NLR免疫受體感知到效應(yīng)子，開(kāi)關(guān)就會(huì)打開(kāi)，轉(zhuǎn)換成另外一種狀態(tài)，啟動(dòng)下游一系列抗病反應(yīng)。
陶小榮（左）帶領(lǐng)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。南京農(nóng)大供圖
他說(shuō)，NLR免疫受體也是過(guò)去人們所熟知的經(jīng)典的抗病基因（R基因），是在生產(chǎn)上最有利用價(jià)值的抗病基因。這一類的抗病基因的特點(diǎn)是，單基因就可以具有免疫作用，只要將這個(gè)抗病基因通過(guò)雜交和回交引導(dǎo)感病品種中，感病品種就可以實(shí)現(xiàn)抗病性。因此這一類抗病基因在抗病育種中得到廣泛應(yīng)用。
“全球每年因病毒病造成的作物經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)4000億元。雖然沒(méi)有有效殺滅病毒病的農(nóng)藥，但是利用抗病品種可以將其有效控制。”陶小榮說(shuō)。
《自然》審稿專家表示，這一研究結(jié)果提供了一個(gè)復(fù)雜的“效應(yīng)子毒性—NLR反毒性”的令人感到神奇的案例。這一發(fā)現(xiàn)非常精彩，將對(duì)植物免疫學(xué)相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員周儉民說(shuō)，病毒是病原微生物中最小最簡(jiǎn)單的一種，但是人類至今對(duì)病毒了解的不多。該研究成果深入研究了抗病毒基因，揭示了前所未知的新的抗病機(jī)制，將啟發(fā)科學(xué)家如何影響植物的激素系統(tǒng)，使得植物能夠更好的抵抗形形色色的病毒病害。
康振生建議，進(jìn)一步的研究可以聚焦在如何把新發(fā)現(xiàn)的抗病機(jī)理與生物育種有機(jī)結(jié)合起來(lái)之上，并為其它作物和病毒病研究提供借鑒和參考。對(duì)抗病機(jī)制的進(jìn)一步探索和研究，可以在這些新的知識(shí)和理論體系的指導(dǎo)下，發(fā)展出新的抗病技術(shù)、培育出新的抗病材料。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-022-05529-9
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