科学家发现帮助植物对抗病虫害的新方法

科学家们表示，这项研究利用了一种自然过程——植物细胞通过自主死亡来帮助宿主植株保持健康——预计将在农业领域具有广泛的应用前景，为保护主要粮食作物免受多种毁灭性疾病提供新方法。

在发表于《自然·通讯》的研究中，由罗格斯大学新布朗斯维克分校的Eric Lam和纽约布鲁克海文国家实验室的刘群（Qun Liu）领导的研究团队报告称，先进的晶体学和计算机建模技术使他们获得了关键植物蛋白酶——一种名为元半胱天冬酶9（metacaspase 9）、能切割其他蛋白质的蛋白酶的迄今最清晰图像。

"理解了元半胱天冬酶9的形态和激活模式，意味着我们现在可以设计长期寻求的工具，利用其已知的生物学功能保护植物免受可能摧毁作物的疾病和环境胁迫，"布鲁克海文实验室生物系结构生物学家刘群表示。

该团队已着手行动。Lam和刘群已就基于此项发现可开发的技术，向美国专利商标局提交了临时专利申请。

"这项工作可能为全球农作物带来更安全有效的防治方案，"本研究的作者、罗格斯大学环境与生物科学学院植物生物系杰出教授Lam表示。

研究人员以常被研究的拟南芥为材料，在布鲁克海文国家同步辐射光源II（NSLS-II）采用X射线晶体学方法，在原子水平揭示了元半胱天冬酶9的形态。根据先前研究已知该酶会被酸度升高激活，他们观察并记录了该酶暴露于不同浓度酸液时的形态变化，从而揭示了其激活过程中蛋白质的关键改变。

他们新获得的复合认知结合了晶体学数据与同样在布鲁克海文完成的分子动力学模拟。这种基于计算机的方法使他们得以观察该酶在不同条件下的行为和变化。团队还进行了实验室实验，包括位点特异性诱变——科学家通过该技术对DNA序列特定位置进行精准修改，验证了维持该酶活性所需蛋白区域的重要性。

通过整合这些知识，研究人员发现该酶不同部位如同刹车或油门，确保其仅在酸性pH环境下激活。

Lam团队与刘群领导的布鲁克海文团队已合作十年，致力于深入了解该酶及其相关版本元半胱天冬酶4。过去30年来，Lam始终研究该酶在植物健康中发挥核心作用的关键过程——程序性细胞死亡（或称细胞自杀）现象。

Lam解释："程序性细胞死亡是细胞作为自然受控机制的一部分而自主死亡的过程。这是细胞为生物体整体利益自我牺牲的方式。"该过程有助于清除受损或多余细胞，使生物体保持健康并正常发育。在植物中，程序性细胞死亡对抵御疾病和应对胁迫至关重要。

其他研究已表明，元半胱天冬酶9（存在于植物而非动物中）与程序性细胞死亡相关联，并核心参与植物两类主要病原体的致病过程。面对活体营养型生物（以活细胞为食的生物体）时，元半胱天冬酶9帮助杀死受感染细胞以阻断疾病；但遭遇死体营养型生物（先杀死植物细胞再摄食的生物体）时，该酶会被劫持以加速破坏植物自身细胞，进而协助入侵者。

研究人员推论：强化元半胱天冬酶9可能预防活体营养型疾病；反之，阻断其功能意味着该酶无法协助死体营养型生物杀死健康细胞。

致病疫霉（Phytophthora infestans）是活体营养型生物的典型实例，这种真菌状卵菌曾引发19世纪中期的爱尔兰马铃薯饥荒。"针对众多植物病害（尤其是真菌病害），有效杀菌剂治疗方案稀缺，且许多情况下环境危害相当严重，"Lam表示，"通过创建超活性元半胱天冬酶9变体，我们可能在入侵位点更早触发细胞死亡，从而切断病原体食物供应，保护植物免受此类活体营养型生物侵害。"

研究团队已完成这项工作，创制出被Lam称为"超活性变体"的酶，该变体可在植物基因受激发时产生，并可能赋予作物对白粉病、锈病等多种重大病害的新型抗性性状。

由死体营养型真菌病原体核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）引起的白霉病是严重植物病害，可侵染多种作物。这类真菌病原体导致的病害每年可能造成10%至20%的总产量损失。根据美国农业部统计数据，这相当于农业领域每年承受1000亿至2000亿美元的经济损失。

"为对抗通过杀死细胞获取营养的死体营养型生物，理解元半胱天冬酶9在分子水平的变化能帮助我们创制新型农用化学品，在不伤害动物或环境的前提下高效阻断该酶，"Lam强调，"这些化学品可用于农业领域阻止有害死体营养型生物生长，从而为全球作物提供更安全有效的防治方案。"

其他参与本研究的罗格斯大学研究人员包括环境与生物科学学院植物生物系博士后助理庞志立（Zhili Pang）。

布鲁克海文国家实验室的刘海蛟（Haijiao Liu）和纽约石溪大学研究生Max Henderson（在刘群指导下工作）是该论文的共同第一作者。石溪大学的张琴芳（Qinfang Zhang）也为本研究作出贡献。

本研究由美国能源部科学办公室和国家科学基金会资助。团队使用了NSLS-II的高自动化大分子晶体学（AMX）和前沿微聚焦大分子晶体学（FMX）光束线，该设施是美国能源部科学办公室的用户实验装置。