科学家发现帮助植物对抗疾病的新方法

科学家们表示，这项研究利用了一种自然过程，即植物细胞通过自我牺牲来帮助宿主植物保持健康，预计将在农业领域有广泛应用，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》的一项研究中，由罗格斯大学新布伦瑞克分校的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——一种能切割其他蛋白质的蛋白酶——metacaspase 9迄今最清晰的图像。

"了解metacaspase 9的形状和激活模式意味着我们现在可以设计期待已久的工具，利用其已知的生物学功能保护植物免受可能导致作物大规模减产的疾病和环境胁迫，"布鲁克海文实验室生物学系结构生物学家刘群说。

该团队已经着手行动。Lam和刘群已就基于该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作物带来更安全有效的治疗方法，"罗格斯大学环境与生物科学学院植物生物学系杰出教授、该研究的作者Lam表示。

研究人员使用拟南芥（一种常被研究的植物，也称为鼠耳芥），在布鲁克海文的国家同步辐射光源II（NSLS-II）采用X射线晶体学方法，在原子水平上揭示了metacaspase 9的结构。根据先前研究得知该酶在酸性增强时被激活，他们观察并记录了该酶在不同酸浓度下的形态变化，揭示了其激活过程中蛋白质的关键变化。

他们新获取的复杂理解将晶体学数据与同样在布鲁克海文完成的分子动力学模拟相结合。这种基于计算机的方法使他们能够观察该酶在不同条件下的行为和变化。该团队还进行了实验室实验，包括位点特异性诱变技术——科学家通过该技术对DNA序列的特定部分进行精确改变，验证了对酶活性至关重要的蛋白质特定区域的重要性。

通过整合这些知识，研究人员发现该酶的不同部分起到类似刹车或油门的作用，确保其仅在酸性pH下被激活。

Lam及其团队与刘群及其布鲁克海文团队合作了十年，致力于更好地理解这种酶及其相关版本metacaspase 4。Lam在过去30年里研究了该酶在植物健康中发挥核心作用的过程——一种称为程序性细胞死亡或细胞自杀的现象。

Lam解释说，程序性细胞死亡是细胞作为自然受控机制的一部分而主动死亡的过程。这是细胞为了生物体的更大利益而自我了结的方式。该过程有助于清除受损或多余的细胞，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抗疾病和响应胁迫至关重要。

其他研究者的工作表明，存在于植物而非动物中的metacaspase 9与程序性细胞死亡相关，并主要参与两类植物致病因子。当处理需从活细胞获取营养的生物营养型病原体（biotrophs）时，metacaspase 9帮助杀死受感染细胞以阻止疾病。但对于先杀死植物细胞再取食的死体营养型病原体（necrotrophs），metacaspase 9会被劫持以加速破坏植物自身细胞，从而帮助入侵者。

研究人员推论，增强metacaspase 9可能预防生物营养型疾病。相反，阻断其功能意味着该酶无法协助死体营养型病原体杀死健康细胞。

生物营养型病原体的一个例子是卵菌纲致病疫霉（Phytophthora infestans），它在19世纪中叶引发了爱尔兰马铃薯晚疫病及随后的饥荒。"对于许多植物病害，尤其是真菌病害，有效的杀菌剂治疗方案很少，并且在许多情况下，环境问题相当严重，"Lam说。"通过创建metacaspase 9的过度活跃版本，我们可能通过在入侵部位更早引发细胞死亡来切断病原体的食物供应，从而保护植物免受这些生物营养型病原体的侵害。"

研究团队已经做到了这一点，创建了Lam描述的该酶的"超活性变体"，它们可在植物基因被诱导时产生，并可能为白粉病和锈病等一系列重要病害提供新型抗性性状。

被称为白霉病的严重植物病害是由死体营养型真菌病原体核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）引起的，它能感染多种作物。这是由真菌病原体引起的病害之一，可能导致每年作物总产量损失10%至20%。根据美国农业部的统计数据，这相当于农业每年遭受1000亿至2000亿美元的经济损失。

"为了对抗杀死细胞以取食的死体营养型生物，了解metacaspase 9在分子水平的变化能帮助我们创造新的农用化学品，在不伤害动物或环境的情况下有效阻断这种酶，"Lam说。"它们可用于农业以阻止有害死体营养型病原体的生长，从而为全球作物提供更安全有效的治疗方法。"

参与这项研究的其他罗格斯大学研究人员包括环境与生物科学学院植物生物学系博士后庞志立（Zhili Pang）。

布鲁克海文国家实验室的刘海蛟（Haijiao Liu）和纽约州立大学石溪分校（Stony Brook University）的研究生Max Henderson（在刘群指导下工作）是该论文的共同第一作者。石溪大学的张琴方（Qinfang Zhang）也对本研究有贡献。

这项工作由美国能源部科学办公室和美国国家科学基金会资助。研究团队使用了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，NSLS-II是能源部科学办公室的用户设施。