作者:陈竹沁 来源:澎湃新闻 发布时间:2023/8/21 9:38:07
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柴继杰、周俭民:二十年掀植物免疫学“革命”

 

“真正把研究工作作为喜欢的一件事来做,是保持科研动力的最重要因素,任何功利性的想法都不可能长久。”柴继杰尤其推崇科研合作精神,“任何一个好的研究,都会提出新的问题,从而创造更多合作的机会。”

一朵紫金花高高立在铁锚上,一段双螺旋DNA充当锚杆……这是今年在美国罗德岛举办的国际分子植物与微生物互作学会年会(IS-MPMI 2023)的会标。而这枚五瓣花朵的美妙形象,正是开启植物免疫信号的“抗病小体”在冷冻电镜下展露的“真面目”。

“这足以说明,我们的工作对整个领域的影响是深入人心的。”中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员周俭民不无骄傲地谈道。对于合作近二十年的老朋友柴继杰,他更是不吝称赞,“由于柴老师的加入,整个植物抗病领域进展至少提速了5到10年。”

2019年,柴继杰和周俭民团队强强联手,首次成功解析了植物抗病蛋白的结构和功能,破解了困扰植物免疫学界二十多年的难题:植物抗病蛋白究竟是如何控制细胞死亡和免疫的。这也为设计广谱、持久的新型抗病蛋白、发展绿色农业奠定了核心理论基础。

正是这项具有国际影响的科研突破,为两人赢得2023年未来科学大奖——生命科学奖。但他们的成就绝不会止步于此,“我老是告诉自己,在我头脑还很清醒之前,可能还有十几年,我都要努力工作。无论能产生多大影响,能不能发‘CNS’(三大顶刊),我们都有责任和义务,去把重要的科学问题搞清楚。”柴继杰说。

左:中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员周俭民,右:西湖大学植物免疫学讲席教授柴继杰。图片来源:西湖大学微信公众号

从造纸厂工人到顶尖结构生物学家

就在未来科学大奖宣布一周前,8月8日,西湖大学官宣柴继杰全职加盟,受聘植物免疫学讲席教授。作为西湖大学校长施一公昔日的“头号弟子”,低调的柴继杰早已声名远播。这是一段伯乐识千里马的佳话:在众多优异的简历中,施一公相信,一个曾在造纸厂的恶劣环境下工作了四年还能考上研究生的人,一定有其过人之处。

获奖后接受媒体群访,回顾这段历程,柴继杰扯着东北味儿的大嗓门,无比实诚地说,自己当时只是想换个工作环境,能够有更好的工资福利,还完全谈不上对科学的追求。

从大连轻工业学院本科到北京石油化工科学研究院硕士,他先是从造纸专业转向应用化学。由于相关课程成绩不错,一度误以为自己爱好有机化学,于是报考了北京协和医科大学药物研究所黄量院士的博士。但通过专业考试后,他却被推荐到了另一位研究蛋白质晶体学的博导门下,这才“阴差阳错”地摸到了结构生物学的大门。

刚进入施一公在美国普林斯顿大学实验室做博后时,柴继杰仍受困于“起点低、基础差、英语不行”的短板。那时,他养成了每天半小时阅读英文报刊的习惯,逐步攻克了语言关,更难得的是可以每天一步步跟随施一公做实验,练就了过硬的实验功底,令施一公也刮目相看。

“如果继杰和我竞争同一个高难度课题,我的胜率大约50%。”五年后“出师”,在施一公的这番力荐下,新组建的北京生命科学研究所(以下简称“北生所”)抛下质疑,将柴继杰招入麾下,独立建立实验室开展研究。

柴继杰将比自己还小一岁的施一公视为“科研榜样”和“科研道路上的领路人”,获得未来科学大奖的第一时间,便向他发去短信“报喜”。当年,两人分坐正副驾驶,一次次前往美国长岛布鲁克海文实验室的场景还记忆犹新。同步辐射光源的预约使用时间极其紧张,他们常常不分昼夜地收集实验数据,而身为“实验室主任”的施一公经常抢着把休息室唯一的床位让给他,自己打地铺。

“施老师对我最大的影响是在科研思维上。”柴继杰说,施一公对学生们反复强调,结构生物学是结构加生物学,在解析蛋白质结构时,应该以生物学问题作为基准和出发点。“从我成立实验室第一天开始,我心里就时时刻刻记住这一点,直到今天仍然有用。我一直秉持着这个最基本的原则,真正以回答生物学问题为本。”

柴继杰曾工作过的鸭绿江造纸厂的老照片。图片来源:西湖大学微信公众号

在植物学中流连忘返的年轻人

“我是一个很普通的人。”采访伊始,周俭民在自我介绍时脱口而出。与柴继杰曲折而传奇的求学经历不同,周俭民是生物学科班出身,早在高中生物课上,便深受老师讲授的遗传学吸引,顺利考取四川大学生物系。1984年,他来到北京,在中国科学院遗传所攻读硕士学位,此后赴美深造,获得普渡大学园艺系博士学位。

研一那年,在导师的建议下,周俭民在中国农业大学旁听了曾士迈院士的植物免疫学课。在这门课上,他第一次听说美国植物病理学家弗洛尔(Harold Flor)于上世纪40年代提出的“基因对基因假说”:植物存在一组抗病基因,可以与病原微生物的致病基因匹配,从而引发植物的免疫反应。

“太神奇了!植物和微生物,两个活的生物之间,竟然在微观层面会相互识别。”周俭民忍不住惊叹。从小在城市长大的他,其实对农村实际问题知之甚少,是好奇心牵引着他一步步深入植物学的殿堂。

不久,他又从书本中了解到,除了和病害之间的“攻防战争”,植物还会和益生菌合作共生,其中也涉及分子识别,“这反映了不同生物的生存策略,其中确实蕴含了很多重要的生物学问题,学得越多,越会发现这里面有趣,真的让我流连忘返。”周俭民回忆。

念念不忘,必有回响。十年后的1994年,在博士资格考试上,周俭民遇到的“考官”格雷格·马丁(Greg Martin),便是成功克隆第一批弗洛尔抗病基因的先驱之一。他顺势加入马丁的实验室开展博士后研究,由此跻身植物抗病领域前沿。

2004年,周俭民也从美国回到北京,成为北生所首批“PI”(独立实验室负责人)。柴继杰的实验室就在他的对面,几根烟的功夫,共同的科研兴趣将他们紧紧拉到了一块儿。

原来,柴继杰在“施门”的一大研究方向,是动物细胞凋亡。其中扮演关键角色的蛋白质Apaf-1,最早由北京生命科学研究所所长王晓东发现。研究表明,Apaf-1会被细胞色素C激活,组装成一种凋亡体(Apoptosome),从而激活Caspase酶,引发细胞的程序性死亡。这一机制对于维持生物体正常发育和组织平衡有着重要意义。2015年,施一公团队成功完成了首个完整的哺乳动物凋亡体Apaf-1的三维结构解析。

当时,一听到周俭民对植物抗病免疫的介绍,柴继杰敏锐地察觉到,动物细胞凋亡体和植物抗病蛋白一样,介导细胞程序性死亡,在生物进化上有很强的关联,立即引起他强烈的研究兴趣。

后来两人都不无感慨,双方团队合作成功,可以说是“在最合适的时间做了最合适的事”,在专业知识和技能的互补之上,产生了1+1>2的化学反应。这份天作之合,或许就始于心底一声轻轻的应和:“哦你也在这里。”

周俭民作学术报告。图片来源:中国科学院遗传与发育生物学研究所

只要做创新研究,就要勇敢面对质疑

在植物抗病应用方面,抗病蛋白可以说“占了半壁江山”,已有近二十年历史。市面上成功克隆的植物抗病基因所编码的蛋白,大部分属于NLR受体蛋白家族。

柴继杰实验室成立以来,团队成员“十年如一日”,不断对数量众多的植物NLR受体蛋白进行筛选,希望找出一个理想的研究模型。但由于抗病蛋白有多结构域,分子量大且构像多变,抗病蛋白的大量表达、高质量纯化和体外重组工作困难重重,相关实验一度陷入僵局。

2007年,柴继杰和周俭民联合团队首先揭示了番茄中的抗病蛋白Pto与病原菌中的效应蛋白AvrPto构成的复合体的结构。6年后,柴继杰团队才又筛选出拟南芥中的抗病蛋白ZAR1的理想模型。

植物免疫有两种模式。“第一道防线”依靠细胞表面受体,可以广谱性识别细菌,调动细胞内防御系统来抵抗。但细菌也会向植物细胞内分泌毒性蛋白,精准破坏植物防御系统的关键蛋白。此时植物细胞内的抗病蛋白就担当起了“第二道防线”。

周俭民形容,抗病蛋白就像调动植物免疫系统的“总指挥”,但它具体如何发号施令、指挥千兵万马,一直是未解之谜。二十多年来,国际上许多实验室都想破解这个难题,往往历时数年无功而返,不得不放弃。

周俭民和柴继杰在2007年提出的“诱饵模型”,一开始并不为主流所认可。该假说认为,某种“诱饵”蛋白会将细菌毒性蛋白引入“空城”,一旦“诱饵”蛋白被破坏,抗病蛋白就会迅速激活,指挥被感染的细胞与细菌“同归于尽”,阻止病原体扩散,从而保证周围组织的正常生长。

2015年,周俭民团队利用ZAR1蛋白建立的实验体系,成功验证了“诱饵模型”。“诱饵”蛋白PBL2和RKS1,可以特异性感知致病蛋白AvrAC,将信息传递给抗病蛋白ZAR1-RKS1复合物。

左:国际分子植物与微生物互作学会2023年会会标;右:PBL2诱导的ZAR1抗病小体的激活与装配过程示意图。图片来源:IS-MPMI 2023官方网站;植物学报

此时的周俭民反而释然很多,“最初的挫折感非常强烈,但我慢慢意识到,科学发现,不光光是说服自己,还要去说服领域里最权威的同行,你没有别的捷径可走,只能去不断地寻找新的证据,用事实说话。”

这项工作也为柴继杰团队指明了新方向,此前他们曾尝试研究另一组诱饵蛋白和致病蛋白,却未能激活ZAR1抗病蛋白,处于免疫抑制状态的相关蛋白复合物的大量结晶尝试也宣告失败。

“科学上有很多偶然性,同一类蛋白有很多变体,哪个蛋白质结构能够成功解析无法预测,可以说是一门艺术,需要勇敢地不断尝试。”周俭民评价,在这个过程中,他看到了柴继杰身上最突出的特点“专注”,“他会盯着一个事情快速推进,毫不客气地追问我们,某个工作做了有没有结果,逼得很紧,而一旦有结果需要他跟进,他都会快速响应。”

在科研生涯中,周俭民也曾遇到过投稿不顺利的情况。当竞争对手的稿件被接受后,团队的稿件才被送审,但后来的十几年间,这篇论文也被反复引用,“在同行不认可的时候怎么往下走,十分考验科研人员的心态。还是要勇敢面对,只要做创新的东西,质疑永远会存在。”

发现植物免疫的“死亡之花”

此后,凭借在动物炎症小体结构研究上的突破,柴继杰对于与之相似的植物抗病蛋白结构解析有了更大把握。他们猜测,在病原入侵时,ZAR1蛋白可以聚到一起,组装成“生物机器”。冷冻电镜结构解析最终证明了这一点。ZAR1抗病蛋白组装的全过程,从抑制状态、中间状态到五聚体活化状态的蛋白质结构,都被逐一完整地呈现。

这个组装好的“生物机器”,就像一朵五瓣的紫金花,被他们命名为“抗病小体”。并非巧合的是,动物细胞凋亡体Apaf-1、CED-4,动物炎症小体NLRC4,都是花环结构。

要分析蛋白质的生化功能,结构可以给出强有力的暗示。柴继杰和周俭民猜测,“抗病小体”中间凸起的“花心”部分,可能和细胞膜通道或膜孔有关。之后他们与其他团队合作发现,“抗病小体”确实可以抵达细胞膜,形成钙离子通道,调控钙离子浓度,该浓度一旦上升,细胞就会做出相应的免疫反应。

植物抗病小体和部分动物细胞凋亡体、动物炎症小体一样,都是花环结构。图片来源:Science

在未来科学大奖颁奖的现场连线环节,柴继杰充满感激地评价这段持续近二十年的合作,“高产而愉快”。如今,植物抗病领域现有的复合体结构几乎都出自柴继杰实验室。2017年,柴继杰获得德国“洪堡教席奖”,前往普朗克植物育种研究所,一待就是六年。离别之际,同事专门为他召开了学术会,邀请了国际上十几个从事动植物免疫研究的专家,柴继杰也把这视作对中国科学家的国际贡献的承认和表彰。

周俭民回应称,两人都更关心解答科学问题,尊重客观的科学贡献,从来不会计较署名的先后,在这方面尤为默契,使他们建立了深厚的信任关系。“生活上简单低调、全身心投入科研”,也是他们的共同点。

柴继杰鼓励年轻人多尝试,找到自己真正喜欢的领域,“真正把研究工作作为喜欢的一件事来做,是保持科研动力的最重要因素,任何功利性的想法都不可能长久。”他也尤其推崇科研合作精神,“任何一个好的研究,都会提出新的问题,从而创造更多合作的机会。”

绿色农业的未来

柴继杰在西湖大学新成立的植物免疫信号传导实验室,已经早早忙碌了起来。拟南芥、水稻、本氏烟草的种子陆续种下,它们都是研究植物抗病蛋白的理想模式植物。他画下了一张草图,在植物免疫的各种模式之上,还标注着许多问号。眼下他最关心的是:植物是如何感受特异性钙信号从而引起最下游的免疫反应。

正所谓“厚积薄发”,在过去一年里,柴继杰和合作者们连续在顶刊上发表了五篇关于植物抗病蛋白的文章,其中包括另一类结构有别于ZAR1的NLR受体蛋白,它形成的抗病小体是四聚体复合物,正在引领植物抗病领域的新热点方向。

柴继杰在西湖大学新成立的植物免疫信号传导实验室。图片来源:西湖大学微信公众号

而周俭民的实验室,除了继续深化五聚体抗病小体的研究,目前还有一半精力投入到了农业应用研究,涉及油菜、水稻等重要作物。近期,周俭民团队成功克隆了一种广谱抗根肿病基因,命名为“卫青”,对于全国各地不同菌株都有抗性,目前已经在和一些公司积极开展合作转化。

最初从一线农业专家那里了解到根肿病的危害时,周俭民只想着帮助解决实际问题,“没想到它在生物学原理上也有一些新颖之处”,从中首次发现了新型钙离子释放通道及其介导的免疫机制。

“在自然界中,病原微生物变异非常快,一个抗病品种投产下去,很快就无法识别变异的病菌病虫,原有的抗病性很难持久。这是现在困扰抗病基因应用的最大问题。”周俭民称,目前国内许多科研团队都在研究广谱植物抗病基因,而他希望继续顺着弗洛尔抗病基因的思路,寻找能够更持久的抗病基因,帮助育种专家培育新品种,持续抵抗病害。

最近他重点关注的是猕猴桃溃疡病,这是一种毁灭性细菌性病害,一旦出现可能一个果园上百万元投入就将泡汤。他希望能从猕猴桃中找到抗病基因,早日带来科学的解决方案。

“抗病小体的结构和功能的发现,可以帮助人类更好利用或改造一些抗病基因,也为未来有朝一日从头设计全新的更强大的抗病基因迈出了重要的一步。”周俭民说。柴继杰也补充道,“抗病小体结构解析相当于为抗病蛋白设计提供了模版,未来或许可以通过调控钙通道活性,提升植物抗病能力。”不过他们都谨慎地提醒,从基础科学研究到应用真正落地,还有很长的一段路要走。

此前,2018年未来科学大奖生命科学奖也曾花落农业领域,颁给了对水稻研究有开创性贡献的三位院士李家洋、袁隆平、张启发。对于这次获奖,柴继杰和周俭民也充分感受到了大奖“立足中国”、“利国利民”的情怀。

抱着对科学真理的追求,展现在他们眼前的,是一片没有化肥农药污染的“绿色”未来。

 
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