经过三十年的深入研究，罗格斯大学与布鲁克海文国家实验室的科学家们，成功揭示了一种特殊植物蛋白质的内部结构及其调控机制，并正积极开发能利用该蛋白特性助力植物抗病的工具。

这一研究成果有望在农业领域得到广泛应用，为保护主要粮食作物免受各类毁灭性疾病的侵害提供全新策略。科学家们利用植物细胞自然死亡的过程，帮助宿主植物维持健康状态。

在《自然通讯》杂志发表的一项研究中，由罗格斯大学新不伦瑞克分校的Eric Lam和布鲁克海文国家实验室的Qun Liu带领的团队，借助先进的晶体学与计算机建模技术，成功获得了对一种关键植物蛋白酶——metacaspase 9(一种能切割其他蛋白质的蛋白酶)迄今为止最清晰的图像。

布鲁克海文大学生物系结构生物学家刘表示：“了解metacaspase 9的形状与激活方式，意味着我们能够设计出长期寻求的工具，利用其生物学功能保护植物免受可能导致农作物大量死亡的疾病和环境压力的侵害。”

目前，该团队已着手相关研究，Lam和Liu已向美国专利商标局申请了一项临时专利，以保护从该发现中开发的技术。

“这项研究有望为全球农作物带来更安全、更有效的治疗方法。”罗格斯大学环境与生物科学学院植物生物学系杰出教授、该研究作者之一Lam说道。

研究人员利用模式植物拟南芥(又称鼠耳芥)，在布鲁克海文的国家同步加速器光源II(NSLS-II)上，采用X射线晶体学方法，在原子水平上揭示了metacaspase 9的形状。他们发现，这种酶通过增加酸度来激活，并观察记录了其在不同酸度浓度下的形状变化，从而揭示了蛋白质激活过程中的关键变化。

研究团队将晶体学数据与在布鲁克海文完成的分子动力学模拟相结合，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与变化。此外，他们还进行了实验室实验，包括定点诱变技术，以验证蛋白质活性所需特定部分的重要性。

通过整合这些知识，研究人员发现酶的不同部分如同刹车或加速器一般，确保其仅在酸性pH值下活跃。

Lam及其团队与刘及其布鲁克海文团队合作了十年，旨在更好地了解这种酶及其相关版本metacaspase 4。在过去三十年里，Lam一直致力于研究该酶在植物健康中发挥关键作用的核心过程——程序性细胞死亡或细胞自杀。

Lam解释道，程序性细胞死亡是细胞作为自然受控机制的一部分而主动死亡的过程，有助于清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，这一过程对于抵抗疾病和应对压力至关重要。

其他研究表明，metacaspase 9仅存在于植物中，与程序性细胞死亡有关，并涉及两种主要植物致病因子的核心过程。面对活体营养菌时，它能帮助杀死受感染细胞，阻止病害发生;但面对死体营养菌时，它可能被劫持，加速破坏植物自身细胞。

研究人员认为，增强metacaspase 9功能或许能预防活体营养性疾病，而干扰其功能则意味着酶无法协助死体营养菌杀死健康细胞。以真菌状卵菌致病疫霉菌为例，它导致了19世纪中叶爱尔兰的马铃薯晚疫病及饥荒。

“对于许多植物疾病，尤其是真菌，有效的杀菌剂治疗选择有限，且环境问题严重。”Lam表示，“通过构建metacaspase 9的高活性版本，我们或许能在入侵部位更早地导致细胞死亡，切断植物食物供应，保护植物免受生物营养菌侵害。”

研究小组已成功创造出酶的“超活性变体”，这种变体在植物基因受到刺激时产生，可为白粉病和锈病等一系列重要疾病提供新的抗性特性。白粉病由坏死性真菌病原菌核病菌引起，每年可造成作物总产量10%至20%的损失，相当于每年给农业造成1000亿至2000亿美元的经济损失。

“为了对抗那些杀死细胞并以此为食的死营养菌，了解metacaspase 9在分子水平上的变化机制，有助于我们研制新的农用化学品，有效阻断这种酶，且不会对动物或环境造成伤害。”Lam说，“这些化学品可用于农业，阻止有害死营养菌生长，为全球农作物提供更安全、更有效的治疗方案。”

参与此项研究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博士后研究员Zhili Pang。布鲁克海文国家实验室的刘海姣和纽约州立大学石溪分校的马克斯·亨德森是刘指导的研究生，也是该论文的共同第一作者。石溪大学的张勤芳也参与了研究。