《Nature》报道：西湖大学柴继杰团队与合作者发现植物免疫调控新机制

在游戏“植物大战僵尸”里，豌豆射手，樱桃炸弹，玉米投手……玩家们可以通过武装多种植物切换不同的功能，把僵尸阻挡在入侵的道路上。现实生活中，科学家们也一直在闯名为“植物大战病虫害”的重重关卡。

北京时间6月12日，Nature在线报道了西湖大学生命科学学院柴继杰团队及合作者的突破性研究成果——他们揭示了植物中NLR蛋白的寡聚促进自抑制机制及六磷酸肌醇/五磷酸肌醇在植物免疫信号中的新角色。

论文截图

这是此前未曾被发现的一类NLR介导植物免疫的独特机制，为理解植物NLR免疫系统的复杂性提供了新视角，也为应对植物病害引起的粮食减产、粮食安全问题提供了新思路。

植物大战病虫害：番茄有点不一样

植物其实远比我们想象得更强大。“秀色可餐”的它们经常会遭遇各种病虫害的侵袭，却没有因此灭绝，反而进化出独特的免疫防线。科学家们的一项重要任务，就是记录并揭示植物各异的免疫模式，为人类社会服务。

抗病蛋白，简称NLR，又称由核苷酸结合和富含亮氨酸重复序列受体，是由抗病基因（R基因）编码而成的蛋白。NLR蛋白作为免疫受体，能够特异性识别入侵病原体特异的效应因子，激活强烈的免疫反应，包括在被侵染的部位引发细胞程序性的死亡，有效阻止病原体的侵染。但由NLR抗病蛋白引发的免疫反应，会抑制植物生长、导致细胞死亡。如武侠小说里描述的那样：一旦中毒且无药可解，立即断臂求生。

在长期关注抗病蛋白的过程中，柴继杰团队察觉到，番茄中有一类抗病蛋白似乎“不按理出牌”。

这种抗病蛋白简称NRC蛋白（为植物细胞死亡所需要的一类NLR蛋白）。在番茄中，即便在没有外敌入侵的正常情况下，它的表达量依然比较高。简单理解，蛋白质的表达，意味着进入功能“准备中”的状态，一旦数量过多、浓度过高，很可能会激活“断臂求生”这一步。

用这样的眼光去看，大量集结的NRC蛋白，随时都有可能在没有病虫害的情况下开启过激免疫战斗的风险。

但不遵循植物免疫惯例的番茄，却安然无事？这撬动了柴继杰的好奇心。他们团队选择课题，向来不拘一格。

蛋白会“自我催眠”，需要辅助开展免疫

为什么番茄集结了免疫大军，却能始终做到“隐忍不发”？不止番茄，柴继杰团队发现，还有其他茄科植物，比如烟草，也有这样的特性。

他们大胆假设：在番茄身上，那些独特的NRC免疫蛋白，会不会在扮演着“睡美人”的角色？施下魔法“咒语”的，会不会就是它们自己？研究团队基于既往研究经验推断，这类NLR蛋白可能存在未知的避免自我激活、保持自抑制状态的机制。他们同时辅以植物遗传学、质谱等生物化学实验手段，对研究发现进行多重验证。

结果发现，番茄中的一个NRC蛋白NRC2能够形成二聚体和四聚体，并在浓度增加条件下形成高阶寡聚体。利用冷冻电子显微镜，研究团队展示了NRC2蛋白在这些寡聚体中的非活性构象。结构分析显示，NRC2的二聚化和寡聚化能够稳定其自身的非活性状态，防止其自发激活，即通过不同单体之间的相互作用，保持稳定的自抑制状态。

也就是说，这些蛋白自发形成了一种能防止激活、进入下一步免疫状态的结构形态，并不会鲁莽“作战”引发免疫危机。常规认知里的“浓度高、表达多”会诱发蛋白激活状态，到NRC2身上，反而成了有利于它形成抑制结构的条件。

图1. 结构解析番茄NRC2的不同寡聚状态，二聚体、四聚体及寡聚体。 西湖大学供图

更重要的是，研究团队还发现了磷酸肌醇在维系NRC2蛋白介导的免疫中，起到了重要的“辅助”作用（也就是“辅因子”）；由于NRC蛋白隶属NLR蛋白，这也是科学家第一次发现NLR蛋白需要辅助因子来发挥免疫作用。

“这意味着植物的免疫反应信号与植物的能量代谢过程可能关联在一起，同时也提出了一个未来很值得研究的科学新问题。”柴继杰总结说。

深耕二十年，他们让植物“更强壮”

就在今年年初，柴继杰联合合作团队揭示了一类植物抗病蛋白通过底物诱导的凝聚体激活的新机制，被《自然》（Nature）收录；再往前，去年夏天，柴继杰荣获“未来科学大奖——生命科学奖”，颁奖词指向抗病小体的发现，这个发现被认为是植物免疫领域的里程碑式事件，系列成果陆续发表于《科学》（Science）、《细胞》（Cell）和《自然》（Nature）……

柴继杰表示，能想到NRC蛋白的“自我抑制”并不是团队比别人更聪明。“只是在这个领域的时间足够长，对很多细节问题都掌握得很清楚。”年复一年的探索和积累，是他们能够在NLR领域快速突破的坚实基础。

据了解，这位出身于造纸厂的科学家，28岁才走入中国协和医科大学，开始接触生物学，38岁尚在普林斯顿大学做博后。然后在选定植物免疫方向之后，在这个重要但并不那么热门的研究领域，他埋头深耕了整整二十年。

接下来，柴继杰团队还将针对本次发现的辅因子如何在植物免疫中发挥作用，植物能量代谢和免疫如何存在联系，展开进一步的研究。

柴继杰说：“我们希望关于抗病蛋白的知识，能够真正应用到农业生产中去，在不影响植物生长，不影响粮食产量的情况下，让植物能够尽量抗病虫害。”

西湖大学生命科学学院讲席教授柴继杰、德国马克斯-普朗克植物育种研究所Paul Schulze-Lefert教授及湘湖实验室马守偲研究员为该论文的共同通讯作者。湘湖实验室马守偲研究员与德国马克斯-普朗克植物育种研究所安春鹏博士为该论文的共同第一作者。德国马克斯-普朗克植物育种研究所的Aaron W. Lawson、Florian Kümmel、Nitika Mukhi博士，西湖大学生命科学学院曹禺博士、孙玥博士，西湖实验室的韩志富研究员，西湖大学质谱平台的潘晋亨及冯杉博士，科隆大学的Jan Jirschitzka博士，新加坡南洋理工大学的Eddie Yong Jun Tan及Bin Wu（吴彬）教授等也为该研究做出了重要贡献。该研究得到科技部重点研发项目及国家自然科学基金的支持。