科技日報記者?張夢然
植物經(jīng)常受到細菌、病毒和其他病原體的攻擊。當植物感知到微生物入侵時，其細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)化學(xué)湯，也就是生命的主力分子中會發(fā)生根本性的變化。在發(fā)表于《細胞》雜志的一項新研究中，美國杜克大學(xué)研究人員揭示了植物細胞中重新編程其蛋白制造機制以對抗疾病的關(guān)鍵成分。
(資料圖片)
每年因細菌和真菌病害而損失的作物產(chǎn)量達15%，約合2200億美元。植物依靠它們的免疫系統(tǒng)來進行反擊。
與動物不同，植物沒有專門的免疫細胞將血流送達感染部位。植物中的每個細胞都必須自己挺身而出奮力保護自己，迅速進入戰(zhàn)斗模式。當它們受到攻擊時，會將優(yōu)先級從生長轉(zhuǎn)移到防御，細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個小時內(nèi)，一切恢復(fù)正常。
細胞中產(chǎn)生的數(shù)以萬計的蛋白質(zhì)從事許多工作：催化反應(yīng)、充當化學(xué)信使、識別外來物質(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鏈進入細胞質(zhì)，在那里核糖體“讀取”信息并將其翻譯成蛋白質(zhì)。
2017年的一項研究發(fā)現(xiàn)，當植物被感染時，某些mRNA分子比其他分子更快地轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。這些mRNA分子的共同點是RNA鏈前端的一個區(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，研究團隊展示了該區(qū)域如何與細胞內(nèi)的其他結(jié)構(gòu)協(xié)同工作以激活“戰(zhàn)時”蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。
研究表明，當植物檢測到病原體攻擊時，通常指示核糖體著陸和讀取mRNA的起點分子標志被去除，這使細胞無法制造其典型的“和平時期”蛋白質(zhì)。相反，核糖體繞過通常的翻譯起點，使用RNA分子內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)的As和Gs區(qū)域進行對接，并從那里開始讀取。
研究人員表示，對于植物來說，對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。產(chǎn)生過多的防御蛋白會造成附帶損害：免疫系統(tǒng)過度活躍的植物生長遲緩。
通過了解植物如何達到這種平衡，研究人員希望找到新的方法來設(shè)計抗病作物而不影響產(chǎn)量，并用擬南芥進行了大部分實驗。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物的蛋白質(zhì)合成方面發(fā)揮更廣泛的作用。
經(jīng)過工程改造以抵抗致病細菌的植物能夠抵御感染，但生長遲緩（左上）。通過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植物免疫力（右下）。圖源：杜克大學(xué)Xu Guoyong
總編輯圈點：
植物的這套防御機制確實高效且強大。盡管沒有專門的免疫細胞，植物看似防御薄弱，但它們體內(nèi)的每個細胞都能在關(guān)鍵時刻挺身而出，調(diào)整自身的優(yōu)先級，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“事了拂衣去，深藏功與名”，在危險解除之后，又能恢復(fù)正常的“和平模式”，繼續(xù)把精力放在生長上。植物對抗感染，仿佛輕松就把握了“防御”和“生長”兩者資源分配的平衡。這是人類在設(shè)計植物、動物抗病方案時需要學(xué)習(xí)和借鑒的。
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