科学家发现帮助植物抗病新方法

科学家们表示，这项研究利用植物细胞为维持宿主健康而主动死亡的自然过程，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方法。

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）共同领导的研究团队在《自然-通讯》发表论文称，借助先进晶体衍射技术和计算机建模手段，他们成功获取了关键植物蛋白酶——半胱天冬酶9（metacaspase 9）迄今最清晰的结构图像。这种蛋白质酶能够切割其他蛋白质。

"解析半胱天冬酶9的形态和激活机制，意味着我们现在可以设计期待已久的工具，利用其已知生物学功能保护植物免遭可能导致作物大规模减产的病害和环境胁迫，"布鲁克海文实验室生物学部结构生物学家刘群表示。

研究团队已启动相关工作。Lam和刘群已就基于该发现的衍生技术向美国专利商标局提交了临时专利申请。

"这项研究可能为全球农作物带来更安全有效的防治方案，"罗格斯大学环境与生物科学学院植物生物学系杰出教授、本研究作者Lam强调。

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（NSLS-II）采用X射线晶体衍射技术，在原子层面揭示了半胱天冬酶9的立体构型。基于该酶会被酸性环境激活的已知特性，他们观测记录了不同酸浓度下酶的构象变化，从而揭示了蛋白质激活过程中的关键结构改变。

新获得的多维度认知融合了布鲁克海文完成的晶体衍射数据与分子动力学模拟。这种基于计算机的方法使团队能观测酶在不同条件下的动态变化。研究人员还通过实验室验证，包括采用位点特异性诱变技术精确修改DNA特定序列，证实了维持蛋白酶活性必需的关键结构域。

通过整合研究数据，科学家发现该酶的不同结构域分别发挥类似"刹车"或"油门"的功能，确保其仅在酸性pH环境中被激活。

Lam团队与刘群领导的布鲁克海文团队已合作十年，致力于深入解析该酶及其相关亚型半胱天冬酶4。Lam三十年来专注于研究该酶在植物健康中的核心作用机制——即程序性细胞死亡（细胞自杀）现象。

"程序性细胞死亡是细胞为生物体整体利益主动实施自杀的自然调控机制，"Lam解释道。该过程通过清除损伤或冗余细胞，维持生物体健康发育。对植物而言，程序性细胞死亡在抵抗病害和应对胁迫中至关重要。

已有研究表明，植物特有的半胱天冬酶9不仅参与程序性细胞死亡，还直接介入两类主要植物病原体的致病过程。面对以活细胞为食的活体营养型病原体，该酶通过杀死感染细胞阻断疾病传播；但遭遇先杀死细胞后取食的死体营养型病原体时，该酶会被劫持加速破坏植物自身细胞，反而助力病原体入侵。

研究人员推断：增强半胱天冬酶9活性可防治活体营养型病害；反之，阻断其功能则能防止该酶协助死体营养型病原体杀害健康细胞。

致病疫霉（Phytophthora infestans）是典型的活体营养型病原体，这种真菌样卵菌曾引发19世纪中叶爱尔兰马铃薯饥荒。"当前对多数植物病害（尤其真菌病害）缺乏高效杀菌剂，且现有方案常伴随严重环境风险，"Lam指出，"通过创建超活性半胱天冬酶9变体，我们可在侵染位点提前触发细胞死亡，切断病原体营养供给。"

研究团队已成功构建被Lam称为"超活性变体"的工程酶，该变体可由植物基因诱导表达，为白粉病、锈病等重要病害提供新型抗性性状。

由死体营养型病原菌核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）引起的白霉病可侵染多种作物。这类真菌病害每年导致全球作物减产10%-20%，据美国农业部统计，由此造成的农业经济损失每年高达1000-2000亿美元。

"针对杀死细胞取食的死体营养型生物，阐明半胱天冬酶9的分子作用机制有助于开发新型农用化学品，"Lam说明，"这类制剂能高效阻断该酶活性且不危害动物或环境，可全球推广应用以抑制有害死体营养型病原体生长。"

本研究的其他贡献者包括罗格斯大学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刘海军（Haijiao Liu）与石溪大学研究生Max Henderson（在刘群指导下）为论文共同第一作者，石溪大学张琴芳（Qinfang Zhang）亦参与研究。

本研究由美国能源部科学办公室和国家科学基金会资助，实验使用了NSLS-II的AMX（高度自动化大分子晶体学）和FMX（前沿微聚焦大分子晶体学）光束线——这两个设施均为美国能源部科学办公室用户装置。