科技日?qǐng)?bào)記者?張夢(mèng)然

植物經(jīng)常受到細(xì)菌、病毒和其他病原體的攻擊。當(dāng)植物感知到微生物入侵時(shí)，其細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)化學(xué)湯，也就是生命的主力分子中會(huì)發(fā)生根本性的變化。在發(fā)表于《細(xì)胞》雜志的一項(xiàng)新研究中，美國(guó)杜克大學(xué)研究人員揭示了植物細(xì)胞中重新編程其蛋白制造機(jī)制以對(duì)抗疾病的關(guān)鍵成分。

(資料圖片)

每年因細(xì)菌和真菌病害而損失的作物產(chǎn)量達(dá)15%，約合2200億美元。植物依靠它們的免疫系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行反擊。

與動(dòng)物不同，植物沒(méi)有專門的免疫細(xì)胞將血流送達(dá)感染部位。植物中的每個(gè)細(xì)胞都必須自己挺身而出奮力保護(hù)自己，迅速進(jìn)入戰(zhàn)斗模式。當(dāng)它們受到攻擊時(shí)，會(huì)將優(yōu)先級(jí)從生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到防御，細(xì)胞開始合成新蛋白質(zhì)并抑制其他蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。然后在2—3個(gè)小時(shí)內(nèi)，一切恢復(fù)正常。

細(xì)胞中產(chǎn)生的數(shù)以萬(wàn)計(jì)的蛋白質(zhì)從事許多工作：催化反應(yīng)、充當(dāng)化學(xué)信使、識(shí)別外來(lái)物質(zhì)、將材料移入和移出。為了構(gòu)建特定的蛋白質(zhì)，包裝在細(xì)胞核內(nèi)的DNA中的遺傳指令被轉(zhuǎn)錄成mRNA信使分子。然后這條mRNA鏈進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，在那里核糖體“讀取”信息并將其翻譯成蛋白質(zhì)。

2017年的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物被感染時(shí)，某些mRNA分子比其他分子更快地轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。這些mRNA分子的共同點(diǎn)是RNA鏈前端的一個(gè)區(qū)域，其遺傳密碼中有重復(fù)的字母，腺嘌呤和鳥嘌呤在該區(qū)域一遍又一遍地重復(fù)。

在新研究中，研究團(tuán)隊(duì)展示了該區(qū)域如何與細(xì)胞內(nèi)的其他結(jié)構(gòu)協(xié)同工作以激活“戰(zhàn)時(shí)”蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。

研究表明，當(dāng)植物檢測(cè)到病原體攻擊時(shí)，通常指示核糖體著陸和讀取mRNA的起點(diǎn)分子標(biāo)志被去除，這使細(xì)胞無(wú)法制造其典型的“和平時(shí)期”蛋白質(zhì)。相反，核糖體繞過(guò)通常的翻譯起點(diǎn)，使用RNA分子內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的As和Gs區(qū)域進(jìn)行對(duì)接，并從那里開始讀取。

研究人員表示，對(duì)于植物來(lái)說(shuō)，對(duì)抗感染是一種平衡行為。將更多資源分配給防御意味著更少的資源可用于光合作用和其他生命活動(dòng)。產(chǎn)生過(guò)多的防御蛋白會(huì)造成附帶損害：免疫系統(tǒng)過(guò)度活躍的植物生長(zhǎng)遲緩。

通過(guò)了解植物如何達(dá)到這種平衡，研究人員希望找到新的方法來(lái)設(shè)計(jì)抗病作物而不影響產(chǎn)量，并用擬南芥進(jìn)行了大部分實(shí)驗(yàn)。但在果蠅、小鼠和人類等其他生物體中也發(fā)現(xiàn)了類似的mRNA序列，因此它們可能在控制植物和動(dòng)物的蛋白質(zhì)合成方面發(fā)揮更廣泛的作用。

經(jīng)過(guò)工程改造以抵抗致病細(xì)菌的植物能夠抵御感染，但生長(zhǎng)遲緩（左上）。通過(guò)控制防御蛋白的翻譯方式，研究人員能在不造成損害的情況下增強(qiáng)植物免疫力（右下）。圖源：杜克大學(xué)Xu Guoyong

總編輯圈點(diǎn)：

植物的這套防御機(jī)制確實(shí)高效且強(qiáng)大。盡管沒(méi)有專門的免疫細(xì)胞，植物看似防御薄弱，但它們體內(nèi)的每個(gè)細(xì)胞都能在關(guān)鍵時(shí)刻挺身而出，調(diào)整自身的優(yōu)先級(jí)，產(chǎn)生更多的作戰(zhàn)蛋白質(zhì)，與敵軍廝殺。有意思的是，它們還會(huì)“事了拂衣去，深藏功與名”，在危險(xiǎn)解除之后，又能恢復(fù)正常的“和平模式”，繼續(xù)把精力放在生長(zhǎng)上。植物對(duì)抗感染，仿佛輕松就把握了“防御”和“生長(zhǎng)”兩者資源分配的平衡。這是人類在設(shè)計(jì)植物、動(dòng)物抗病方案時(shí)需要學(xué)習(xí)和借鑒的。

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