科学家找到帮助植物对抗疾病的新方法
罗格斯大学和布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）的科学家们经过三十年的发现，已经获得了有关一种特殊蛋白质的内部结构和调节模式的详细知识，并正在着手开发工具，以利用其帮助植物对抗各种疾病的能力。 这项工作利用植物细胞故意死亡以帮助寄主植物保持健康的自然过程，预计将在科学家们说，农业部门提供了保护主要粮食作物免受各种毁灭性疾病侵害的新方法。 在发表在《自然通讯》上的一项研究中，由罗格斯大学新不伦瑞克分校的 Eric Lam 和纽约布鲁克海文国家实验室的 Qun Liu 领导的一个团队报告说，先进的晶体学和计算机建模技术使他们能够获得关键植物蛋白酶的最佳图像，这是一种切割 其他蛋白质，称为Metacaspase 9. 布鲁克海文生物系的结构生物学家 Liu 说：“了解 metacaspase 9 的激活形状和模式意味着我们现在可以设计长期寻求的工具，以利用其已知的生物学功能来保护植物免受可能摧毁作物的疾病和环境压力。 ：团队已经开始了。 Lam 和 Liu 已向美国申请临时专利。 专利商标局 （Patent and Trademark Office） 关于可开发的技术发现。 “这项工作可能会为我们在全球范围内的作物带来更安全、更有效的处理方法，”罗格斯大学环境与生物科学学院植物生物学系杰出教授、该研究的作者 Lam 说。 使用拟南芥（一种经常研究的植物，也称为鼠耳水芹），研究人员在布鲁克海文的国家同步辐射光源 II （NSLS-II） 采用了一种称为 X 射线晶体学的方法来揭示Metacaspase 9 在原子水平上的形状。 从以前的研究中了解到，这种酶会因酸度增加而被激活，他们观察并记录了酶在暴露于不同浓度的酸时如何改变形状，以揭示蛋白质在激活过程中的关键变化。 他们新获得的复杂理解将晶体学数据与分子动力学模拟相结合，也在布鲁克海文完成。 这种基于计算机的方法使他们能够观察酶在不同条件下的行为和变化。 该团队还进行了实验室实验，包括位点特异性诱变，这是科学家用来精确改变 DNA 序列的特定部分并验证蛋白质活性所需的特定部分的重要性的技术。 通过整合这些知识，研究人员发现酶的不同部分就像刹车或加速器一样，以确保它仅在酸性 pH 值。 Lam 和他的团队与 Liu 和他的 Brookhaven 团队合作了十年，以寻求更好地了解这种酶以及相关版本 metacaspase 4。 在过去的 30 年里，Lam 一直在研究这种酶在植物健康中关键作用的核心过程——这种现象被称为程序性细胞死亡或细胞自杀。 Lam 说， 程序性细胞死亡是细胞作为自然和受控机制的一部分故意死亡的过程。这是细胞为了有机体的更大利益而自杀的方式。 该过程有助于去除受损或不必要的细胞，使生物体保持健康并正常发育。 在植物中，程序性细胞死亡对于抵抗疾病和应对压力至关重要。 其他研究人员的 研究表明，metacaspase 9 存在于植物中，但不存在于动物中，它与程序性细胞死亡有关，并集中参与两种主要类型的致病因子对于植物。 在处理生物营养生物（以活细胞为食的生物）时，metacaspase 9 有助于杀死受感染的细胞以阻止疾病。 但是对于坏死生物，即在食用植物细胞之前杀死植物细胞的生物，metacaspase 9 被劫持以更快地破坏植物自身的细胞，这有助于入侵者。 研究人员推断，加强 metacaspase 9 可以预防生物营养疾病。 相反，干扰其功能意味着该酶不会帮助坏死生物杀死健康细胞。 生物营养菌的一个例子是类似真菌的卵菌 Phytophthora infestans，它导致了爱尔兰的马铃薯枯萎病和随后的 1800 年代中期的饥荒。 “对于许多植物病害，尤其是真菌，有效的杀菌剂处理选择很少，而且在许多情况下，环境问题相当严重，”Lam 说。 “通过创造 metacaspase 9 的高活性版本，我们可以通过在入侵部位导致细胞死亡来保护植物免受这些生物营养生物的侵害更早，从而切断了他们的食物供应。 研究团队就是这样做的，创造了 Lam 所说的酶的“超活跃变体”，当受到刺激时，植物基因可以产生这种变体，并且可以为一系列重要疾病（如白粉病和锈病）提供新的抗性特征。 被称为白霉病的严重植物病害是由坏死性真菌病原体菌核病菌引起的，它可以感染许多作物。 它是由真菌病原体引起的疾病，每年可能导致作物损失占总产量的 10% 至 20%。 根据美国汇编的统计数据，这意味着农业每年的财务损失在 1000 亿至 2000 亿美元之间。 农业部。 “为了对抗杀死细胞以取食的坏死生物，了解 metacaspase 9 在分子水平上的变化可以帮助我们创造新的农业化学品来有效阻断这种酶而不会伤害动物或环境，“Lam 说。 “它们可用于农业，以阻止有害的坏死生物生长，从而为世界各地的农作物提供更安全、更有效的处理。” 为这项研究做出贡献的其他罗格斯大学研究人员包括环境与生物科学学院植物生物学系的博士后助理 Zhili Pang。 布鲁克海文国家实验室的 Haijiao Liu 和 Stony Brook 的 Max Henderson纽约大学 （University in New York） 的研究生在 Liu 的指导下工作，是该论文的共同第一作者。 石溪大学（Stony Brook University）的张勤芳（Qinfang Zhang）也为这项研究做出了贡献。 这项工作由美国资助。 能源部科学办公室和美国国家科学基金会。 该团队在美国能源部科学办公室的用户设施 NSLS-II 中使用了高度自动化的大分子晶体学 （AMX） 和 Frontier 微聚焦大分子晶体学 （FMX） 光束线。