新研究表明植物如何直接识别病原体，以及如何帮助它们抵御其他攻击者。
香蕉、小麦、巧克力和人类有什么共同点？ 他们都处于致命的流行病之中。 人类有反击的工具； 植物需要帮助。
“目前，全球植物界发生了三种流行病，”Innovative 可持续农业总监 Brian Staskawicz 说。 基因组学 加州大学伯克利分校植物与微生物生物学教授。 “香蕉正受到威胁 镰刀菌 热带第 4 种真菌，现已在拉丁美洲发现，引起严重关注。 一种被称为“小麦瘟疫”的疾病现已在非洲出现，并威胁着世界小麦和整体粮食安全。 第三个是威胁到每个人都心爱的植物：巧克力。”
世界上大约一半的巧克力产于西非，它正受到可可肿芽的威胁 病毒，以 病原 由粉蚧传播，可迅速杀死可可植物。 最可怕的预言预示着一个没有巧克力的不可想象的未来，一个可能只有 10 年的未来。
In 本周发表在该杂志上的一项新研究 希恩ce，IGI 研究人员朝着帮助植物在不使用杀虫剂或其他毒素的情况下对抗病原体迈出了关键一步。 Staskawicz 与共同 PI 的 Eva Nogales 及其团队发现了抵抗体的结构和功能，抵抗体是一种识别病原体并激活强大防御的植物免疫受体。 但就像在人类中一样，植物的免疫反应并不完美，它们也没有有效的武器来对抗所有病原体。 有了这种结构，IGI 团队现在有了一个路线图，可以为植物提供新的反击工具。
植物如何保护自己
植物和动物对病原体的反应都是 蛋白质 被称为 核苷酸-捆绑 富含亮氨酸的重复受体 (NLR)，可检测病原体的存在并启动某种形式的免疫反应。
“所有病原体都将蛋白质输送到宿主体内。 正是这些受体拦截了这些蛋白质并触发了对病原体的抵抗力，”Staskawicz 说。
IGI 团队专注于一种特定的 NLR 受体，称为 ROQ1 在 烟草，茄科的一种烟草植物。 1994 年， Staskawicz 实验室 是第一个隔离的 的DNA 这些类型的 NLR 的序列 基因，但直到现在 - 26 年后 - 没有人能够弄清楚分子的结构，这是了解受体如何识别病原体并触发免疫反应的关键。
解决结构难题
自 1990 年代以来，研究人员一直试图了解植物 resitosomes 的结构，但他们不得不等待使之成为可能的技术出现。
“我们使用的方法是电子显微镜，这种技术已经存在很长时间了，但直到最近六七年，该方法才得到了足够的改进，可以获取原子结构，”Eva Nogales 说，该研究的 PI，联合主任 Cal-Cryo 设施 在 QB3-Berkeley 和劳伦斯伯克利国家实验室的高级教师科学家。 “这是一个大型蛋白质组装体，它具有灵活的区域，大量生产它并非易事！ 因此结晶和更传统的方法无法处理它。”
“不平凡”被证明是轻描淡写。 通常，当研究人员使用电子显微镜时，他们使用昆虫或 细菌 细胞 培养人为地产生所讨论分子的许多副本。 在这种情况下，第一作者 Raoul Martin，博士。 Nogales 实验室的候选人，不得不转向烟草植物本身，因为细胞培养方法一再无法制造可用的蛋白质。
“我们从烟叶中提取的量非常少，我什至无法使用标准方法测量浓度，”马丁说。
他必须开发一种新方案，以最大限度地提高捕获适合成像的分子的机会，经过 12 次尝试，他设法只找到一个有效的方法——而且效果很好。
拥有足够数量的用于成像的分子是一个障碍； 接下来是能够准确地捕捉结构的图像。 在加州大学伯克利分校使这成为可能： Cal-Cryo 设施 拥有最先进的低温电子显微镜，可在极低的温度下进行高分辨率成像实验。 像这样的设施仅在世界上少数几个地方可用。
诺加莱斯发现 ROQ1 结构特别有趣，不仅仅是因为它的生物学，而且还有一个即使非生物学家也能轻松理解的原因：它很漂亮。
“我从事分子结构成像工作已有 20 多年，我只记得有一次我对结构的美丽感到如此惊讶，那就是 Jennifer Doudna 的第一次 CRISPR 结构称为'级联，' 哪一个 看起来像海马，”诺加莱斯说。
惊人的相似
对于 Raoul Martin 来说，阻止他前进的不仅是分子的美丽，还在于结构看起来异常熟悉。 循环的方式 ROQ1 识别病原体的分子与您在哺乳动物中发现的抗体非常相似。
“我后退一步说，'哦，等一下，'”马丁说。 “每个生物化学家都见过抗体的结构。 这是你学习的经典事物之一，我在一个实验室工作，作为一名本科生研究它们。 我一看到结构，就想，‘哇，这看起来和我在抗体中看到的折叠完全一样。’”
根据马丁的说法，这些结构显然是趋同进化的一个例子。 换句话说，它们并非来自同一个祖先，但它们采用了类似的策略来防御分子水平的攻击。
该团队能够证明，复杂的三叶草形分子一端的环可以直接识别病原体蛋白质，这是第一次在植物中显示出来。 当这种情况发生时， ROQ1 分子以激活植物组织防御反应的方式进行转化。 此外，该结构似乎还具有直接灭活病原体蛋白质的机制。
工程免疫
与哺乳动物抗体的相似性不仅是进化对称性的一个有趣例子，它还为 IGI 团队提供了一个行动方案。 现在他们了解了植物抵抗体如何使用分子的特定环识别病原体，他们从动物中的类似工作中了解到，可以重新设计这些环以识别——并有望击退——其他病原体。 也就是说，他们可以创建 新 旨在保护植物免受特定攻击者（例如保护香蕉）的抗性基因 镰刀菌，小麦来自小麦瘟疫，巧克力来自可可肿胀芽病毒。 每个工厂系统在细节上有所不同，但原理是相同的。
这一发现提出了一个重要的进化问题：如果抗性体上的环识别特定病原体，那么植物最初是如何获得抗性的？ 为什么它们对其他病原体缺乏抵抗力？
“我的感觉是，在我们解决了大约 XNUMX 个这样的结构之后，我们就能有一个更好的理论，”Staskawicz 说。 “我们拥有的结构越多，我们就会越好。”
对于 Martin 来说，这个项目尤其令人欣慰，因为他之前在博士期间的研究项目。 研究失败了。 这个项目彻底扭转了他的博士研究。
“我可以这么说，”马丁开玩笑说，“烟草害死人，但它救了我的博士。”
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直接识别病原体效应子 XopQ 的活化 ROQ1 抗性体的结构
观点：免疫受体形成酶
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