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人物 | Jonathan D.G. Jones: 破解植物与病菌互作的秘密

花匠小妙招
2024-10-11 04:45

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Jonathan D. G. Jones教授是一位植物分子遗传学家，他在理解植物和病原菌互作机制上做出了意义深远的贡献。

Jones于1972年考入英国剑桥大学，在那里获得植物学学位（1976年）和植物分子遗传博士学位（1980年）。毕业后加入哈佛大学作为博后研究共生固氮（1981-1982），随后他在加州奥克兰的新兴农业生物技术公司AGS研究玉米转座子在烟草中的行为。1988年Jones移居英国加入诺里奇的Sainsbury实验室建立他自己的研究团队。并于1994-1997年和2003-2009年两度担任实验室主任。 Jones于1998年当选为EMBO院士，2003年当选为英国皇家学会院士。2012年，他被授予美国明尼苏达州斯塔克曼奖。2015年被选为美国国家科学院外籍院士。

Jonathan D.G. Jone教授主要研究植物如何抗病以及病原菌如何规避植物免疫机制。他是最早克隆表征植物抗病基因的科学家之一。他发现的RLP推进了动物中LRR先天免疫受体的发现。他也揭示了细胞内NLR免疫受体常常成对地检测病菌效应蛋白，激活防御反应。相关成果发表在 Nature、Cell、PNAS、Nat Plants、Nat Commun、Trends Plant Sci、Plant J、Mol Plant、J Exp Bot、Mol Plant Microbe Interact 等期刊上。除了理论价值外，这些发现正在被应用到植物抗病田间实验中。这些成果在增加作物产量，降低化学农药施用，减少农业对环境的影响上具有巨大潜力。

选择植物生物学

Jones于1954年出生于伦敦并在那里长大，他兴趣广泛尤其喜欢阅读科学书籍和小帆船比赛。少年的他曾经纠结于选择历史还是化学。“我痴迷于完美的化学周期表而历史看起来就是一堆毫不相关的事实，因此我选择了化学”。他说。中学期间在化学、数学和物理上都很优秀的Jones于1972年考入剑桥大学学习自然科学。

大学期间对Jones影响最大的人是植物学家Harold Whitehouse教授。“他用一种非常严格缜密的方式教授植物和其他生物遗传学中非常神奇的发现，包括细胞遗传学家Barbara McClintock发现的转座子”，Jones说。 他相信植物科学能解决许多全球性的生态问题，于是Jones决定投身于植物学并且在1976年获得剑桥大学学士学位。

开启学术道路

大学毕业后，Jones继续留在剑桥攻读博士。在分子生物学家Richard Flavell和遗传学家Gabriel Dover指导下，他分析黑麦和小麦异染色质里的重复DNA序列【2】。在Flavell 实验室博后Jonn Bedbrook的介绍下, Jones博士毕业后来到哈佛加入生物实验室分子生物学家Frederick Ausubel 的实验室做博后。谈到Ausubel, Jones说:“Ausubel教授是一个传奇人物，他创造了一种科研氛围：让聪明的科学家们研究类似但不一样的问题并且经常互相讨论这些问题。他也能辩证的对待技术进步和科研进展之间的关系”。在那里，Jones的研究阐释了根瘤菌属的共生固氮机理【3】。

1982年，Jones参加了德国比勒费尔德第一届分子植物微生物互作大会。“在那儿我意识到我找到了我的圈子”，他说，“大会整合了两种不同兴趣：植物生物学和与植物互作的细菌的分子遗传学，以及那些能解决真实世界问题的学科，比如固氮和作物抗病。”

下一年，他加入了一家农业技术公司（AGS）。那里，他和同事Richard Jorgensen发现在插入植物DNA的T-DNA中，普遍是右边界DNA的反转重复，并且高拷贝T-DNA重复与转基因的低表达有相关性，很可能是由于基因的沉默导致的现象【4】。

在AGS公司，他遇到了后来成为他的妻子，植物学家Caroline Dean。Dean由于对春化和开花控制的卓越研究，后来获得英国皇家爵级司令勋章（女）并成为美国科学院院士。Jones说: “她是一个完美的科学家榜样：怎样专注取得成就。她始终保持着灵性。”

植物转座子生物学

在AGS时，他和Hugo Dooner一起报导了番茄中改造了一个细菌链霉素抗性基因去检测玉米转座子激发子活性【5】。由于链霉素基因是自主性的，研究者用它来检测番茄体细胞里的转座激活因子（AC）的剪除，调查它的功能。Jones说：“Hugo教我很多植物遗传学和转座子生物学知识。”

1988年，Jones和Dean一起加入诺维奇的TSL。1995年，他和团队发现了另一种转座子DS，能在番茄里打断染色体【6】。

克隆和表征植物抗性基因

他在转座子上的精通导致了一个突破性的成果：用转座子标签技术分离和表征番茄抗叶霉病基因Cf-9【7】。该研究阐明了植物免疫涉及细胞表面免疫受体。“我仍然记得当我们发现番茄叶子上由于体细胞转座子剪除而产生的坏死斑，恢复了Cf-9功能时的那个时刻”，他回忆到，“那一刻，我知道我们成功了”。Cf-9是动植物中鉴定的第一个带富含亮氨酸的重复（LRR）的细胞表面受体，帮助定义了RLP类型的受体蛋白。

在对Cf-9位点进一步研究中，他和同事报导了在复合R基因族定义了一个完全单倍型序列【8】。应用同样的方法，它们定义了更多的疾病抑制的单倍型【9】。更近些时候，他帮助开发了RenSeq, 一种用于对富集的R基因测序新方法【10】。该方法极大地便利了在多种植物里发现富集的R基因，便于克隆已知抗性基因保护作物。他和同事也研究RLP信号途径。通过分析为Cf-9功能所需的其他基因，他和同事鉴定了ACIK1, 它是Cf-9依赖的抗病所必需的【11】。该研究展示了该种类型的激酶在细胞表面受体驱动的免疫中的角色。

Jones和他的朋友Jeffery Dangl在他的小帆船边

保卫假说和zigzagzig模型

Jones和生物学家Jeffery Dangl一起在Nature上发表了两篇引用很高的综述文章描叙他们的假说和模型【12,13】。“Dangl 和微生物学家Brian, 是我长期的朋友和合作者。我已经在过去的30多年中从他们的智慧、创意和友谊受益良多。” Jones说。 第一篇综述总结概括了他们的保卫假说，而第二篇综述整合PTI和ETI进入一个模型：zigzagzig。

他和团队在此基础上进一步对ETI和PTI相互影响做深入细致的分析，发现植物两大免疫通路并不是独立发挥功能，而是存在相互放大的协同作用，从而保障植物在应对复杂的环境病原微生物是能做出合适的免疫反应【17】。

zigzagzig 模型

细胞内免疫受体作用机制

植物NB-LRR受体组合RPS4/RRS1-R复合体作用机理

在他那篇开创性文章中【1】，他和团队进一步调查RRS1-R/RPS4功能。“我们将最终解开这些结构域的结构以理解作用机制，但在这个文章中我们已经窥探到其中的一些涉及转换蛋白复合体从抑制态到激发态的重要步骤”，他说。“我们也在开发一些常用的新蛋白来制造诱饵使得它们可逆转地形成结构域-结构域相互作用。”，他展望到：“理解RRS1-R/RPS4和其他受体蛋白的分子构造有助于人工合成受体转入植物来应对任何的病菌效应蛋白，达到设计抗病的目的”。

他的团队正在进行转基因马铃薯抗病的田间实验。合作对象是农业公司Simplot，该公司开始时是被英国BBSRC资助成长的。他作为共同发明人的专利是Rpi-vnt1和其他晚疫病抑制基因。Rpi-vnt1所抗的晚疫病也威胁番茄的产量，世界范围内的作物损失和防控措施的成本大概每年超过67亿美元。如果专利成功商业化，他和共同发明人会收到可观的专利使用费。

Jones说: “我们目的是通过遗传学而不是化学方法去减少病害造成的作物损失，这需要公众参与，推动合理地利用生物的遗传多样性来降低农业对环境的影响。”

参考文献

1.Y Ma, et al., Distinct modes of derepression of an Arabidopsis immune receptor complex by two different bacterial effectors. Proc Natl Acad Sci USA 115, 10218–10227 (2018).

2.JR Bedbrook, J Jones, M O’Dell, RD Thompson, RB Flavell, A molecular deion of telomeric heterochromatin in Secale species. Cell 19, 545–560 (1980).

3.V Sundaresan, JDG Jones, DW Ow, FM Ausubel, Klebsiella pneumoniae nifA product activates the Rhizobium meliloti nitrogenase promoter. Nature 301, 728–732 (1983).

4.JDG Jones, D Gilbert, K Grady, R Jorgensen, T-DNA structure and gene expression in petunia plants transformed by Agrobacterium tumefaciens C58 derivatives. Mol Gen Genet 207, 478–485 (1987).

5.JDG Jones, FM Carland, P Maliga, HK Dooner, Visual detection of transposition of the maize element activator (ac) in tobacco seedlings. Science 244, 204–207 (1989).

6.JJ English, K Harrison, J Jones, Aberrant transpositions of maize Double Ds-like elements usually involve Ds ends on sister chromatids. Plant Cell 7, 1235–1247 (1995).

7.DA Jones, CM Thomas, KE Hammond-Kosack, PJ Balint-Kurti, JDG Jones, Isolation of the tomato Cf-9 gene for resistance to Cladosporium fulvum by transposon tagging. Science 266, 789–793 (1994).

8.M Parniske, et al., Novel disease resistance specificities result from sequence exchange between tandemly repeated genes at the Cf-4/9 locus of tomato. Cell 91, 821–832 (1997).

9.L Noël, et al., Pronounced intraspecific haplotype divergence at the RPP5 complex disease resistance locus of Arabidopsis. Plant Cell 11, 2099–2112 (1999).

10.K Witek, et al., Accelerated cloning of a potato late blight-resistance gene using RenSeq and SMRT sequencing. Nat Biotechnol 34, 656–660 (2016).

11.O Rowland, et al., Functional analysis of Avr9/Cf-9 rapidly elicited genes identifies a protein kinase, ACIK1, that is essential for full Cf-9-dependent disease resistance in tomato. Plant Cell 17, 295–310 (2005).

12.JL Dangl, JDG Jones, Plant pathogens and integrated defence responses to infection. Nature 411, 826–833 (2001).

13.JDG Jones, JL Dangl, The plant immune system. Nature 444, 323–329 (2006).

15.PF Sarris, et al., A plant immune receptor detects pathogen effectors that target WRKY tranion factors. Cell 161, 1089–1100 (2015).

16.JDG Jones, RE Vance, JL Dangl, Intracellular innate immune surveillance devices in plants and animals. Science 354, aaf6395 (2016).

17.Ngou, B.P.M., Ahn, H.K., Ding, P., and Jones, J.D.G. (2021). Mutual potentiation of plant immunity by cell-surface and intracellular receptors. Nature 592:110-115（2021）.

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