“植物大战僵尸”玩过么？

当某种病原微生物，或者某只害虫向一株植物发起进攻时，在它面前矗立的是植物严阵以待的两道免疫防线。第一道防线位于细胞表面，第二道防线位于细胞内。为数众多的植物抗病蛋白是第二道防线的主力，它们介导的免疫反应高效、快速，是植物能够“大战僵尸”的关键所在。

人们很早就关注到植物的抗病现象，并提出了“植物抗病基因”的概念。1994年， 第一个植物NLR基因被克隆出来，随后，模式生物基因组测序揭示了植物中编码数量众多的NLR蛋白，这些蛋白在不同生物的免疫抗病过程中发挥了关键作用。抗病蛋白自此走到了台前。

抗病蛋白，简称NLR，又称由核苷酸结合和富含亮氨酸重复序列受体，是由抗病基因（R基因）编码而成的蛋白。NLR蛋白作为免疫受体，能够特异性识别入侵病原体特异的效应因子，激活强烈的免疫反应，包括在被侵染的部位引发细胞程序性的死亡，有效阻止病原体的侵染。

也就是说，由NLR抗病蛋白引发的免疫反应，会抑制植物生长、导致细胞死亡。如武侠小说里描述的那样：一旦中毒且无药可解，立即断臂求生。

如此激烈的“免疫”手段，自然不会轻易动用，植物免疫“大军”的行事守则亦是如此。在没有“外敌入侵“（即病原体侵染）的情况下，大多数抗病蛋白的数量都会受到严格的调控，在体内含量相对较低。

但柴继杰团队却发现了异常。

二十年前，在告别普林斯顿的博后生涯之后，柴继杰选择了北京生命科学研究所，一头扎入当时才刚刚起步的植物免疫世界。

未知意味着风险，却也意味着魅力。在长期关注抗病蛋白的过程中，柴继杰团队察觉到，番茄中有一类抗病蛋白似乎“不按理出牌”。

这种抗病蛋白简称NRC蛋白（为植物细胞死亡所需要的一类NLR蛋白）。在番茄中，即便在没有外敌入侵的正常情况下，它的表达量依然比较高。简单理解，蛋白质的表达，意味着进入功能“准备中”的状态，一旦数量过多、浓度过高，很可能会激活“断臂求生”这一步。

用这样的眼光去看，大量集结的NRC蛋白，随时都有可能在没有病虫害的情况下开启过激免疫战斗的风险。

在新冠疫情中，我们就见识过这样的“细胞因子风暴”：免疫系统过度反应，在体内“拿着武器横冲直撞”，不分敌我。结果杀敌一千，自损八百，病人病情急剧加重甚至死亡。

为什么不遵循植物免疫惯例的番茄，却安然无事？这撬动了柴继杰的好奇心。他们团队选择课题，向来不拘一格。

格林童话里《睡美人》的桥段家喻户晓——一位美丽的公主受到了女巫诅咒，就此沉沉睡去，最终王子的爱将她唤醒。

为什么番茄集结了免疫大军，却能始终做到“隐忍不发”？不止番茄，柴继杰团队发现，还有其他茄科植物，比如烟草，也有这样的特性。

他们大胆假设：在番茄身上，那些独特的NRC免疫蛋白，会不会也在扮演着“睡美人”的角色？施下魔法“咒语”的，会不会就是它们自己？

事实上，NRC蛋白如何在在没有病原体侵染的情况下，却能保持抑制状态，一直是该领域一个有趣的问题。研究团队基于既往研究经验推断，这类NLR蛋白可能存在未知的避免自我激活、保持自抑制状态的机制。

如何证明？结构决定功能。

蛋白质分子的折叠方式、空间构象，对它们的功能来说有着决定性的作用。作为一名结构生物学家，看清蛋白质分子的“模样”，正是柴继杰的所长。以结构为“镜”，它们可能会映射出茄科植物NRC免疫受体的自抑制机制。研究团队同时辅以植物遗传学、质谱等生物化学实验手段，对研究发现进行多重验证。

结果他们发现，番茄中的一个NRC蛋白NRC2能够形成二聚体和四聚体，并在浓度增加条件下形成高阶寡聚体。利用冷冻电子显微镜，研究团队展示了NRC2蛋白在这些寡聚体中的非活性构象。结构分析显示，NRC2的二聚化和寡聚化能够稳定其自身的非活性状态，防止其自发激活，即通过不同单体之间的相互作用，保持稳定的自抑制状态。

也就是说，这些蛋白自发形成了一种能防止激活、进入下一步免疫状态的结构形态，并不会鲁莽“作战”引发免疫危机。常规认知里的“浓度高、表达多”会诱发蛋白激活状态，到NRC2身上，反而成了有利于它形成抑制结构的条件。

图1. 结构解析番茄NRC2的不同寡聚状态，二聚体、四聚体及寡聚体。

更重要的是，研究团队还发现了磷酸肌醇在维系NRC2蛋白介导的免疫中，起到了重要的“辅助”作用（也就是“辅因子”）；由于NRC蛋白隶属NLR蛋白，这也是科学家第一次发现NLR蛋白需要辅助因子来发挥免疫作用。

磷酸肌醇是植物能量代谢过程中非常重要的一类有机小分子。研究团队发现，磷酸肌醇与NRC2蛋白有“勾连”——磷酸肌醇（IP6, inositol hexakisphosphate；或 IP5, inositol pentakisphosphate）与NRC2蛋白的C末端富亮氨酸重复（LRR）域结合，通过质谱分析就可以验证植物中NRC2确实结合磷酸肌醇，并证明磷酸肌醇的结合对于NRC2介导的细胞死亡反应是必需的。

在随后的对照组实验中：在“去掉”磷酸肌醇后，NRC2蛋白果然就不易被上游效应因子激活，证实了磷酸肌醇在调节NRC2信号传导中起到了关键的辅助因子作用。

图2. 番茄NRC2结构中发现磷酸肌醇小分子及质谱鉴定结果。

“这意味着植物的免疫反应信号与植物的能量代谢过程可能关联在一起，同时也提出了一个未来很值得研究的科学新问题。”柴继杰总结说。

2023年，德国杜塞尔多夫大学的学者发表论文称，他们观察到了番茄抗病蛋白的特性。而此时的柴继杰团队，已马不停蹄地奔在了回答“为什么”的路上。

他们的“率先发现”，为理解植物NLR蛋白的自抑制和激活机制提供了新的见解，为未来科学家利用NLR蛋白进行农作物育种改造提供了理论基础，也给开发新的农业生物技术以增强作物抗病性提供了新的思路。

我们追问：回溯本次研究过程，最大的难点是什么?

他们回答：是最初那个“睡美人”的设想——大胆假设也许是NRC蛋白“自己抑制了自己”。

柴继杰说，“能想到这一点，并不是我们比别人更聪明，我们只是在这个领域的时间足够长，对很多细节问题都掌握得很清楚。”年复一年的探索和积累，是他们能够在NLR领域快速突破的坚实基础。

就在今年年初，柴继杰联合合作团队揭示了一类植物抗病蛋白通过底物诱导的凝聚体激活的新机制，同样被《自然》（Nature）收录；再往前，去年夏天，柴继杰荣获“未来科学大奖——生命科学奖”，颁奖词指向抗病小体的发现，这个发现被认为是植物免疫领域的里程碑式事件，系列成果陆续发表于《科学》（Science）、《细胞》（Cell）和《自然》（Nature）……

择一事，终一生。这位出身于造纸厂的科学家，28岁才走入中国协和医科大学、开始接触生物学，38岁尚在普林斯顿大学做博后、一度是施一公实验室最特别的那个申请人（点击查看往期报道）。然后在选定植物免疫方向之后，在这个重要、但并不那么热门的研究领域，埋头深耕了整整二十年。

如他所言，他并不比别人聪明，只是比常人更专注、更勤奋、更踏实。

接下来，柴继杰团队还将针对本次发现的辅因子如何在植物免疫中发挥作用，植物能量代谢和免疫如何存在联系，展开进一步的研究。

柴继杰说：“我们希望关于抗病蛋白的知识，能够真正应用到农业生产中去，在不影响植物生长，不影响粮食产量的情况下，让植物能够尽量抗病虫害。”

对于一个拥有14亿人口的大国而言，粮食安全是真正的“国之大者”。

西湖大学生命科学学院讲席教授柴继杰、德国马克斯-普朗克植物育种研究所Paul Schulze-Lefert教授及湘湖实验室马守偲研究员为该论文的共同通讯作者。湘湖实验室马守偲研究员与德国马克斯-普朗克植物育种研究所安春鹏博士为该论文的共同第一作者。德国马克斯-普朗克植物育种研究所的Aaron W. Lawson、Florian Kümmel、Nitika Mukhi博士，西湖大学生命科学学院曹禺博士、孙玥博士，西湖实验室的韩志富研究员，西湖大学质谱平台的潘晋亨及冯杉博士，科隆大学的Jan Jirschitzka博士，新加坡南洋理工大学的Eddie Yong Jun Tan及Bin Wu（吴彬）教授等也为该研究做出了重要贡献。该研究得到科技部重点研发项目及国家自然科学基金的支持。