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厦门股票配资:让世界研究25年的植物秘密 被中国科学家破解

时间:2019/4/6 18:30:08  作者:  来源:  查看:9  评论:0
内容摘要:今天,清华大学和中科院合作团队在国际权威学术期刊Science《科学》连发两篇长文,揭示了植物抗病蛋白管控和激活的核心分子机制。这一成果,让世界等了25年。中国科学家发现的“抗病小体”结构,像一个五角星。图源:清华大学柴继杰团队提供中国科学家发现的“抗病小体”结构,像一个五角星。...
今天,清华大学和中科院合作团队在国际权威学术期刊Science《科学》连发两篇长文,揭示了植物抗病蛋白管控和激活的核心分子机制。这一成果,让世界等了25年。

中国科学家发现的“抗病小体”结构,像一个五角星。图源:清华大学柴继杰团队提供中国科学家发现的“抗病小体”结构,像一个五角星。图源:清华大学柴继杰团队提供
  清华教授潜心研究15年

  记者了解到,两篇论文来自于清华大学柴继杰团队、中国科学院遗传与发育生物学研究所周俭民团队以及清华大学王宏伟团队最近的联合研究,他们在植物免疫研究领域取得了历史性的重大突破。

  两篇文章的研究成果是通过对不同状态复合物的结构和功能解析,阐明了抗病蛋白由抑制状态,经过中间状态,最终形成抗病小体的生化过程,合作团队紧密结合结构、生化和功能研究,揭示了抗病小体工作机制。比如,抗病小体形成后直接在细胞质膜上发出自杀指令,很可能是植物细胞死亡和免疫执行者。这项工作填补了人们25年来对抗病蛋白认知的巨大空白,为研究其它抗病蛋白提供了范本。

  自从25年前国际上首次鉴定到抗病蛋白以来,多个国际顶尖实验室均未能纯化出可供结构分析的全长抗病蛋白质。柴继杰团队自2004年成立以来,便开始在数量众多的植物抗病蛋白中进行理想研究对象的繁重筛选工作。

  国外同行:从未有过的全新模型

  “抗病小体”这一概念可能令很多人不解,并且查不到任何资料,因为这个概念也是这三个中国科研团队提出来的,是此次研究的核心成果。通俗来讲,他们发现的“抗病小体”是一个五聚体蛋白“机器”,是植物抗病蛋白的激活复合物。据悉,“抗病小体”的结构非常漂亮,是一个五角星结构。

  柴继杰说,他们的论文发表之前,出现了一个小小的BUG。别人的实验材料都是论文发表之后才露出,他们的材料在发表前十天,就在国外平台上流出,结果被国外科学家“爆评”。

  英国皇家学会会士、欧洲科学院院士Prof。 Sophien Kamoun称赞,“这真是一个令人震惊和漂亮的结构。更让人振奋的是,他们提出了一个我们领域从未有过的全新模型,给植物免疫领域带来很多启示。 我们的梦想是从头设计抗病蛋白 ,这项成果在实现从头设计抗病蛋白的道路上迈出了的一大步,能更好地服务农业”。

  植物也有免疫系统

  很多人知道人和动物有免疫系统,但是对植物免疫系统可能头一次听说。植物作为自然界中最广泛存在的初级能量来源,是蕴含丰富水分和有机营养物质的载体,毋庸置疑会成为很多病原微生物和害虫所觊觎的目标。在长期对抗病原生物的过程中,植物进化出了复杂高效的两层免疫系统,用于识别各种病原微生物、激活防卫反应,从而保护自己免受侵害。

  “植物的第一道防线位于细胞表面,第二道防线位于细胞内,由抗病蛋白发挥作用,这些抗病蛋白快速、有效,是植物免疫的关键。”柴继杰介绍,植物的免疫系统和动物免疫系统的区别是,植物都是先天性免疫,没有获得性免疫。

  清华大学副校长薛其坤院士介绍,处于两层免疫系统的核心是植物细胞内数目众多的抗病蛋白,它们既是监控病虫侵害的哨兵,也是植物动员高效防卫系统的指挥官。抗病蛋白被发现及在植物育种中大量应用已有二十多年,但人们对其发挥作用的分子机制仍不清楚。

  植物“抗病小体”将大幅减少农药施用

  1845年到1852年,由马铃薯晚疫病引发的爱尔兰大饥荒,直接造成爱尔兰100万人死亡,165万人逃荒至北美。粮食作物的病害一直是粮食生产需要解决的问题,农药是此前主要依赖的方式。中国农业科学院植物保护研究所所长周雪平说,水稻上常见的病虫害有3000种。尤其在中国的病害发生的更严重,中国人多地少,中国人喜欢吃蔬菜,南方的蔬菜一年要种十几期。国外人吃蔬菜少,地多人少可以休种或者轮种,这在中国很难做到。“我们不可能做到休种,这就造成了我们国家的病害特别多。在耕地方面,我们用的农药可能是别人的几倍,原因就在于咱们的病害确实多。”

  柴继杰也表示,中国农药施用量占世界总量1/3,世界第一。农药的使用带来了很多问题,现在人们越来越多选择有机食品,如何解决这一问题?柴继杰说,解决这一问题的关键就存在于植物细胞中——植物细胞内数目众多的抗病蛋白。这些蛋白发现病菌后,迅速启动植物防卫反应,杀死病菌,从而保护植物免受侵害。

  据介绍,利用抗病蛋白,设计新型抗病虫育种,将大大减少化学农药的施用。抗病蛋白高分辨度结构和作用机制的解析,将为设计抗广谱、持久的新型抗病蛋白,发展绿色农业奠定核心理论基础。

  柴继杰说,他们做的是基础研究,研究的意义是使设计出新的抗病蛋白成为可能。周雪平表示,这项成果至少有三方面的运用前景。首先可以人为设计新的抗菌基因。“很多病虫害现在没有抗菌基因,至少现在没有找到。比如,水稻上的一些病毒就没有抗菌基因,有些则不知道机制。现在机制知道以后,我们就有可能人为地设计这样一个抗菌基因。”周雪平说。

  据了解,抗菌基因启动,基因表达多了以后,对植物生长是不利的。因为这种抗病蛋白的免疫是自杀免疫,即使植物没有被杀死,对产量也会产生影响。“所以了解清楚机制以后,我们可以精准地用它抗病毒。”周雪平说。此外,病原体变异很快,变异之后,抗毒基因就不起作用了。“这项成果使延长抗病基因的使用成为可能。我们也希望加强和清华大学合作,加快抗病基因利用方面。”周雪平介绍。

植物常见的病害。图源:清华大学柴继杰团队提供植物常见的病害。图源:清华大学柴继杰团队提供
  对话

  柴继杰:最大难点是对3个基因进行重组

  新京报:这项研究最大的难点在哪?


  柴继杰:难点是3个基因的重组,这个过程听起来比较简单,实际上我们花了非常多的时间来优化和筛选不同的抗病基因。我们把这些基因重合在一起,并没有得到想要的结果。这个又让我们纠结相当长的一段时间。曾经有一段时间,我自己都没有信心。但后来发现,我加了一个小分子dATP,这个灵感来自另一个研究,结果就得到了想要的结果。

  新京报:听说你自从2004年以来就从事这方面的研究,到今年已经有15年了,有数十位博士研究生参加这个项目,你有没有比较难忘的时刻?

  柴继杰:作为一名科研人,成果能够发表被大家认可,是比较开心的时刻。实验结果不好的肯定不开心,结果被人家抢先发表也会不开心。可能80岁的时候想想,开心是在这个过程当中,而不是一个结果。

  新京报:你做科研的动力是什么?

  柴继杰:动力就是对问题感兴趣。我强烈地对这个蛋白感兴趣。我就是想知道,这个蛋白如何工作,从生物学来讲是什么机制?我就是想知道这个答案,这是我最大的动力。

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