科学家发现帮助植物抵御病害的新方法

科学家们表示，这项研究利用了一种自然过程——植物细胞通过自我牺牲来维持宿主健康，预计将在农业领域获得广泛应用，为保护主要粮食作物免受多种毁灭性疾病提供新途径。

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）领导的团队报告称，通过先进晶体学和计算机建模技术，他们成功获取了关键植物蛋白酶——元胱天蛋白酶9（metacaspase 9）迄今最清晰的结构图像。这种蛋白质酶能切割其他蛋白质。

布鲁克海文实验室生物学部结构生物学家刘群指出："掌握元胱天蛋白酶9的构象和激活机制意味着，我们现在能设计长期寻求的工具，利用其已知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。"

团队已付诸行动。Lam和刘群已就基于该发现的技术向美国专利商标局提交临时专利申请。

该研究作者、罗格斯大学环境与生物科学学院植物生物学系杰出教授Lam表示："这项工作有望为全球作物带来更安全有效的防治方案。"

研究人员以常用模式植物拟南芥（又名鼠耳芥）为对象，在布鲁克海文国家同步辐射光源II期（NSLS-II）利用X射线晶体学技术，在原子层面揭示了元胱天蛋白酶9的形态。根据先前研究已知该酶在酸性增强时激活，他们观测记录了不同酸浓度下酶的构象变化，揭示出蛋白质激活过程中的关键转变。

新构建的复合模型整合了布鲁克海文完成的晶体学数据和分子动力学模拟。这种计算机模拟方法使团队能观察酶在不同条件下的行为变化。他们还通过实验室实验（包括定点诱变技术）验证了蛋白质活性必需区域的重要性，该技术可对DNA特定序列进行精确修饰。

综合研究发现，该酶不同区域如同刹车或油门，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合作十年，致力于解析该酶及其相关版本元胱天蛋白酶4。过去30年，Lam始终研究该酶在植物健康中的核心作用机制——程序性细胞死亡（即细胞自杀）现象。

Lam解释道，程序性细胞死亡是细胞为自然调控机制主动消亡的过程，是为生物体整体利益进行的自我牺牲。该过程可清除受损或冗余细胞，维持机体健康发育。对植物而言，程序性细胞死亡在抵御疾病和应对胁迫中至关重要。

其他研究证实，植物特有的元胱天蛋白酶9与程序性细胞死亡相关，并深度参与两类主要植物病原体作用机制。面对以活细胞为食的生物营养型病原体时，该酶通过杀死感染细胞阻断疾病传播；但在以死细胞为营养源的坏死营养型病原体侵袭时，该酶会被劫持加速破坏植物自身细胞，反而助长入侵者。

研究人员推断，增强元胱天蛋白酶9活性可防治生物营养型病害；反之，抑制其功能可阻止该酶协助坏死营养型病原体杀死健康细胞。