作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2021/7/26 10:36:24
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领悟植物“攻守”之道
——记国家自然科学基金创新研究群体项目“植物响应生物胁迫的机理”

 

群体成员:戚益军(左一)、谢道昕(左二)、柴继杰(视频里)、刘玉乐。受访者供图

 

兵来将挡,水来土掩。人类之间的“杀伐攻守”之道在昆虫、病原体(真菌、细菌和病毒等)和植物之间同样存在。

病原体侵染和昆虫取食可造成农作物的产量和品质严重下降,是危及粮食安全的重大隐患之一。研究植物如何与病原体和昆虫等生物相互作用,阐明植物响应生物胁迫的机理,不但可以丰富人们对不同生物间相互作用和协同进化机制的认识,而且对植物抗病抗虫分子育种和制定新的病虫害防治策略有重要意义。

在国家自然科学基金支持下,清华大学教授戚益军带领的“植物响应生物胁迫的机理”创新研究群体多层面、多角度探究了植物与病原体和昆虫的相互作用机制,产出了一批在国际上领先的原创成果(群体成员获国家自然科学奖二等奖两次、中国生命科学领域年度十大进展两次和全国创新争先奖一次)。

“植生”平凡不平静

“一粒种子一旦生根发芽,便在原地开花结果,度过平凡的一生。然而,‘树欲静而风不止’,植物的一生并不平静,它们会遭遇各种各样的环境变化和胁迫挑战。”戚益军对《中国科学报》说,“胁迫对植物的生长和发育非常不利,如何面对和适应不同的胁迫对植物来说生死攸关。对农作物而言,胁迫会造成产量减少和品质下降。”

植物所受到的胁迫可分为两大类,一是非生物因素造成的胁迫,二是各种生物造成的胁迫。非生物胁迫指高温、低温、干旱、盐碱等不适宜的环境引起的生存压力,生物胁迫指病原体和昆虫等不同生物体侵害植物而造成的不利影响。

“我们的创新研究群体项目主要研究植物响应生物胁迫的机理。”戚益军说,“或许是因为植物不能移动,不能像人那样‘走为上计’,所以它进化出复杂和巧妙的‘防御系统’去适应和抵御病原体和昆虫的侵害。我们群体致力于研究这套‘防御系统’是怎么运作的,包括植物如何感知病原体或昆虫的入侵,以及它感知到侵害后,如何作出迅速适当的反应。同时,我们也想知道病原体和昆虫如何突破植物的‘防御系统’从而繁衍生息。”

生死“博弈”

病原体为了侵染植物,会产生一系列致病蛋白,精准破坏植物的免疫系统,而植物则进化出一类抗病蛋白,可以感知这些致病蛋白的存在及活动,快速激活机体的抗病反应,限制及杀死病原体。

“抗病蛋白在植物抵抗各种病原体的过程中发挥着极其重要的作用,但其活性需要受到严格控制。”该群体成员、清华大学教授柴继杰告诉《中国科学报》,“没有病原体时,抗病蛋白需处于抑制状态;而当病原体侵入后,抗病蛋白则需被快速激活。”

研究人员通过对处于不同状态的植物抗病蛋白复合物的结构和功能进行解析,揭示了抗病蛋白由抑制状态,经过中间状态,最终形成处于激活状态的抗病小体的完整过程。这一成果是植物抗病领域的重要进展,也为设计广谱、持久的新型抗病蛋白,发展绿色农业奠定了基础。

与人和动物一样,植物也会受到病毒的感染。在植物病毒传播中,有一种虫媒传播方式:昆虫取食感染病毒的植物后,带着病毒去感染其他植物。昆虫传播植物病毒的过程貌似波澜不惊,但暗地里三者之间却有一番精彩的“缠斗”。

“对于植物病毒来说,它感染植物后,如果能让昆虫更喜欢吃这种植物,就有利于其传播。”该创新研究群体成员、中国科学院院士谢道昕对《中国科学报》说,“然而,当遭受昆虫取食时,植物会迅速合成大量的茉莉素,进而诱导大量抗虫次级代谢产物的合成,让昆虫不爱吃。非常有意思的是,病毒则会产生一种蛋白,这种蛋白能够切断植物的茉莉素信号通路,抑制植物合成茉莉素,防止植物口感变差,从而实现自己的快速传播。”

弄清楚病原体和昆虫如何侵害植物以及植物如何应对病原体和昆虫的机制后,科学家就可以利用这些机制,找到防治病原体和昆虫的有效策略。

“病虫害严重威胁农业生产,为减少损失,农业生产中不得不大量施用化学农药,但此举给环境、人类健康和农业可持续发展带来严重挑战。”戚益军说,“了解植物与病原体和昆虫之间相互‘博弈’的过程,就有可能找到更绿色、更可持续的病虫害防治方法。比如,我们研究的小RNA广泛参与植物对病原体和昆虫的抗性,可以为抗病抗虫作物育种提供新型遗传资源。”

研究“互作” 团队“互作”

病原体、昆虫和植物之间,有着精妙而复杂的“互作(相互影响、协同进化)”关系。该创新研究群体的四位成员都来自清华大学植物生物学研究中心,他们有自己独立的实验室和研究团队,分别在植物小RNA、植物激素和抗虫、植物与病原体互作以及植物病毒研究领域长期耕耘,各有所长。围绕“植物与病原体和昆虫互作”这一共同兴趣,他们在研究中也产生了积极而有效的“互作”。

“我们偶然发现一种棉花病毒产生的V2蛋白可以结合植物的AGO4蛋白。”该群体成员、清华大学教授刘玉乐告诉《中国科学报》,“益军正好是研究植物AGO家族蛋白的国际权威,我们通过合作研究,很快揭示了这种棉花病毒通过V2蛋白抑制AGO4活性从而抑制植物抗病毒反应的机制。”

戚益军实验室前期发现,另一个AGO家族蛋白AGO1可以与染色质结合,激活受生物或非生物胁迫诱导的基因的表达。

“AGO1蛋白激活的基因中,包括大量茉莉素信号通路相关的基因。”戚益军说,“我们随后与道昕合作,发现AGO1可以调控茉莉素信号转导。”

“这些合作或交叉不是我们刻意为之,而是做着做着自然而然走到一起了。”谢道昕说,“大家同在一个群体里,相互的研究都很熟悉,彼此的研究体系和技术可以迅速互补,这样的合作非常高效。”

“创新研究群体和基础科学中心项目,能够让不同研究背景和专长的人围绕一个共同感兴趣的重要科学问题开展研究,产生协同效应,更有效地解决问题。同时也给我们创造了一个契机,形成一种紧密的合作关系,这种关系不会随项目的结束而结束。”戚益军说。

《中国科学报》:对进行这种探索机制机理的基础研究,你有什么建议?

戚益军:不敢说是建议,我谈一点个人的想法和体会。基础研究有较大的不确定性,原创性的发现和“从0到1”的突破有时很难计划和设计,往往是“有心栽花花不开,无心插柳柳成荫”。比如,我们计划研究某个课题,结果在做的过程中,偶然发现了别的东西更有意思、更有价值,我们就去做别的了。当然,这种偶然性并非凭空产生,而是来源于研究者对某一领域长期专注的研究和积累。没有积累和深耕,这种偶然不太会出现,即使出现了,研究者也缺乏足够的嗅觉去捕捉到它。

《中国科学报》:你在植物小RNA领域做出了国际引领性的系统工作,科学基金对你的研究起到怎样的作用?

戚益军:过去20多年来,得益于我们国家经济的飞速发展和对基础研究的高度重视,科学基金的资助力度越来越大,资助方式和项目管理也更科学合理,这为我们从事基础研究的科研人员心无旁骛地自由探索创造了重要条件。

从研究生毕业获得青年科学基金项目到现在,我先后获得了国家杰出青年基金、创新研究群体和基础科学中心项目的资助。这些资助使我们课题组能长期专注于植物小RNA的机制和功能研究,我们系统地阐明了植物小RNA的核心工作机制,发现并命名了diRNA等3类小RNA,揭示了小RNA在作物农艺性状调控中的重要功能,部分成果被《植物病毒学》和《表观遗传学》等经典教科书收录。可以说,科学基金对像我一样的基础科学研究人员的学术发展起到了非常重要的支撑作用。

 

 
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