助力绿色农业发展 中国科学家研究发现植物“拆弹专家”

植物细菌性病害是植物生长过程中的重大威胁，对农业和生态系统都有极大的影响。植物世界如何演化出精妙的防御系统积极应对？怎样应用这些机制服务农业生产、保障粮食安全？

揭晓植物防御系统神秘机制

中国科学院遗传与发育生物学研究所、北京大学、崖州湾国家实验室的科学家组成合作团队历时15年研究攻关，最新揭晓植物抵御病原细菌入侵的神秘机制——被形象称为“拆弹专家”的一种名为芥酸酰胺的植物天然代谢物，它能精准拆解病原菌的“生化武器”，为绿色农业提供了新的可能。

植物“拆弹专家”芥酸酰胺的工作模型。研究团队 供图

这项揭示植物化学防御新机制、为环境友好型生物农药开发以及作物抗病分子育种奠定基础的重要研究，由北京大学教授雷晓光团队、崖州湾国家实验室首席科学家周俭民团队领衔并联合相关专家团队共同完成，成果论文北京时间2月28日在国际知名学术期刊《科学》(Science)发表。

另辟蹊径拆除“生化武器”

论文共同通讯作者周俭民研究员指出，病原细菌通过侵染植物组织引发叶斑、枯萎、腐烂等病害，严重时可导致农作物减产甚至绝收。当病原细菌悄然入侵时，植物的化学防御系统正在上演着肉眼不可见的分子战争。

传统认知中，植物抗病代谢物多采用“毒杀”战术，本次最新研究发现，芥酸酰胺像一位精明的“拆弹专家”，它另辟蹊径专门拆除病原菌的“生化武器”——三型分泌系统(T3SS)。三型分泌系统是多种动植物病原细菌用来向宿主细胞分泌毒性蛋白的装置，对致病不可或缺；芥酸酰胺则破坏病原细菌三型分泌系统的装配，将病原细菌变得无害。

“拆弹专家”历时15年发现

据介绍，2010年国际上有研究团队观察到免疫激活的植物具有抑制病原细菌三型分泌系统的能力，但这个“护身符”的本质却一直蒙着神秘面纱。中国合作团队敏锐捕捉到这一线索，并提出假说——这可能是一个免疫诱导产生的植物天然代谢物。

带着这个假说的猜想，雷晓光和周俭民团队开启了长达15年的“寻宝”之旅，他们以生化活性为导向，通过分离、纯化的手段最终在植物代谢物的迷宫中锁定了关键目标，即“拆弹专家”芥酸酰胺。

不同于传统植物抗性代谢物的“地毯式轰炸”，“拆弹专家”芥酸酰胺给病原细菌进行精准的“外科手术”，使其丧失致病能力而不影响其生存。

可应用于作物细菌病害防治

论文共同通讯作者雷晓光教授表示，芥酸酰胺广泛存在于包括水稻、大豆等多种植物中，在免疫激活后会大量积累，并对多种病原细菌具有广谱活性。遗传实验表明，芥酸酰胺的积累，是植物实现对病原细菌免疫的关键。

通过对多种芥酸酰胺衍生物的合成及活性分析，联合团队揭示了影响其活性的关键化学结构。综合运用化学蛋白组学、生化实验、蛋白结构预测、分子对接及分子动力学模拟等多种方法，研究团队捕捉到这场微观战争的精彩画面——芥酸酰胺与三型分泌系统的重要组分HrcC特异结合，导致病原菌的“生化武器”装配失败，使细菌“哑火”。

周俭民透露，值得注意的是，“拆弹专家”芥酸酰胺对水稻白叶枯、番茄青枯病等多种作物细菌病害，均能发挥强大的杀伤功效，这暗示其在作物细菌病害防治中具有潜在应用价值。