當流感來襲，人類可以選擇接種疫苗，也能前往流感不嚴重的地區躲避?？稍恋氐闹参?，既無法接種疫苗，也不能逃離疫區，它們究竟如何抵御病原微生物的侵害？
在全球氣候變化與糧食安全挑戰加劇的當下，如何讓作物擁有更強大的“自我保護”能力，正成為科學家攻堅的焦點。
近日，西湖大學生命科學學院柴繼杰教授團隊在《自然》期刊發表最新研究成果。這項研究首次揭示了植物輔助型抗病蛋白（Helper NLR）的激活與調控機制，不僅為理解植物如何應對病原體提供了關鍵線索，更標志著植物免疫研究在主線科學進程中邁出了重要一步。
植物也會“斷尾求生”
柴繼杰團隊研究的內容與植物免疫系統里的“第二道防線”有關，研究的過程中，他們感受到了植物自我保護的免疫智慧。
在微觀世界里，植物的免疫系統可以被想象為“雙層防線”。第一道防線的防御由細胞膜上被稱為“模式識別受體”的“巡邏哨兵”發起。這些哨兵的任務是識別病菌表面的“身份標簽”，一旦發現入侵者，立即拉響警報，啟動廣譜免疫反應，將大部分“敵人”拒之門外。
然而，總有一些病菌極其狡猾，它們能向植物細胞分泌一種名為“效應蛋白”的“生化武器”，抑制植物的第一道免疫防線，從而進入細胞。這時，魔高一尺、道高一丈，聰明的植物會啟動第二道防線。
第二道防線就是被效應因子觸發的免疫，又被稱為“ETI”。ETI的啟動依賴于植物細胞中的“特種部隊”——NLR抗病蛋白。它有“火眼金睛”，能識別出病菌釋放的“生化武器”，繼而觸發局部細胞的“自毀程序”。一旦程序啟動，植物將不惜犧牲局部細胞，來阻止病原體的擴散。
柴繼杰團隊此次的研究重點，就是植物免疫系統第二道防線上的“特種部隊”——細胞內的抗病蛋白。這支“特種部隊”時刻監視著病菌的入侵。
他們發現，當病菌突破第一道防線后，植物細胞內的“特種部隊”會釋放特殊的信號分子，這些信號分子就像一把“鑰匙”，會改變細胞內“門鎖”——一類特定的蛋白復合物的形狀。一旦“門鎖”的狀態改變，就會被“輔助員”——輔助蛋白感應，從而觸發強烈的免疫反應。
有趣的是，植物的免疫系統也有“剎車機制”。就像汽車需要剎車來避免失控，植物也需要一種機制來防止過度的免疫反應，以免對生長發育造成損害。研究發現，植物細胞內還有另一類輔助蛋白，它們會像“守門員”一樣，搶先占據“門鎖”，從而抑制免疫反應。
柴繼杰表示，盡管他們還沒有探明“守門員”出手干預免疫反應的機會，但可以肯定的是，它們會進行負向調控，而這種“激活-抑制”的平衡機制，是植物在長期進化中形成的“自我保護”策略。
“從宏觀角度看，植物免疫的激活、抑制機制是長期進化適應的結果。免疫需要適度，過強會傷及自身。例如，流感時的細胞因子風暴并非由病毒直接引起，而是免疫反應過度導致的?！辈窭^杰說，“植物通過這種平衡機制，既能有效抵御病原體，又能保持正常的生長發育。”
在柴繼杰看來，這種平衡的藝術，正是植物在漫長進化中形成的獨特“免疫智慧”。
科研長跑中的平常心
植物有它們的免疫智慧，柴繼杰及其團隊也有他們的科研智慧。探明植物細胞中微小的分子變化，靠的是研究團隊長達20年的積累與探索。
1998年，柴繼杰在美國普林斯大學的施一公實驗室從事博士后研究，專注于一種特定的程序性死亡-細胞凋亡的機制研究?！半m然當時的研究方向與植物免疫不完全相同，但我們在研究中發現了一些與植物抗病蛋白相似的蛋白結構?！辈窭^杰說，“這些經歷為我后來研究植物免疫機制奠定了基礎。”
2004年，柴繼杰回國加入北京生命科學研究所，與專注于植物與微生物相互作用機理研究的周儉民展開密切合作。“我們在交流中發現植物抗病蛋白在植物免疫中起著極為重要的作用，”柴繼杰由此確定了他未來要深耕的領域——植物免疫。
在科研領域，植物免疫的研究大致經歷了三個階段：早在七八十年前，人們就已知曉抗病基因的存在；1993年，首個抗病基因被成功克隆，此后更多抗病基因陸續被發現。然而，這些抗病基因如何識別病原體并觸發植物免疫反應，依然是未解之謎，“而這正是我們團隊的研究方向?！辈窭^杰說。
從2004年開始的合作，到2007年的初步突破，再到2013年的重要進展，團隊走過了漫長的探索之路。2019年發現抗病蛋白在激活之后形成的“抗病小體”被認為是植物抗病領域的里程碑事件，2020年進一步揭示了TNL類抗病蛋白的激活機制。如今，團隊終于解開了抗病蛋白激活與抑制的雙重密碼，在傳統“守衛模型”基礎上提出“修飾自我”模型，將植物免疫研究推向新高度。
科研就是一場長跑。“一年、五年甚至十年沒有成果，在我們這里都是正常的?！辈窭^杰說，“這些都是科研的常態，要想做好科研就要有這樣一顆平常心?！?span style="display:none">PFT流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM
從實驗室到田間地頭
這項研究的意義在于理論創新，更在于為抗病作物的育種提供重要指導。目前，團隊已在水稻中展開探索。
柴繼杰表示：“通過基因編輯技術調控輔助蛋白的表達比例，有望培育出兼具抗病性與高產性的作物品種?！?span style="display:none">PFT流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM
聯合國糧農組織估計，每年有高達40%的全球作物產量因病蟲害而減產，造成經濟損失超2,200億美元。歷史上的愛爾蘭馬鈴薯饑荒、北美小麥絕收等悲劇，均與作物抗病性缺陷密切相關。
“在作物馴化過程中，人們追求高產優勢，卻在某種程度上犧牲了抗病性能?！辈窭^杰說，“我們的研究為找回這些‘丟失的盔甲’提供了科學地圖?！?span style="display:none">PFT流量資訊——探索最新科技、每天知道多一點LLSUM.COM
柴繼杰表示，未來研究團隊將深入探究溫度、濕度等環境因素對植物免疫的影響。
“實驗室結果能否在復雜田間環境中重現？如何讓作物既不過度‘敏感’也不‘遲鈍’？”柴繼杰認為，解開這些謎題，才能真正實現“智能抗病”——讓植物根據威脅等級動態調整防御策略。
論文的評審人認為：“這一發現對于深入理解植物免疫機制具有極其重要的意義，因為該信號通路是雙子葉植物中最為關鍵的免疫信號轉導路徑之一，其功能數十年來一直未被揭示。”
“我們希望未來通過基因編輯優化抗病蛋白，培育出抗病性與產量兼具的新品種，推動農業可持續發展?！辈窭^杰說。
柴繼杰研究團隊合影。受訪者供圖
相關論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08521-7
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