当流感来袭，人类可以选择接种疫苗，也能前往流感不严重的地区躲避。可扎根土地的植物，既无法接种疫苗，也不能逃离疫区，它们究竟如何抵御病原微生物的侵害？

在全球气候变化与粮食安全挑战加剧的当下，如何让作物拥有更强大的“自我保护”能力，正成为科学家攻坚的焦点。

近日，西湖大学生命科学学院柴继杰教授团队在《自然》期刊发表最新研究成果。这项研究首次揭示了植物辅助型抗病蛋白（Helper NLR）的激活与调控机制，不仅为理解植物如何应对病原体提供了关键线索，更标志着植物免疫研究在主线科学进程中迈出了重要一步。

植物也会“断尾求生”

柴继杰团队研究的内容与植物免疫系统里的“第二道防线”有关，研究的过程中，他们感受到了植物自我保护的免疫智慧。

在微观世界里，植物的免疫系统可以被想象为“双层防线”。第一道防线的防御由细胞膜上被称为“模式识别受体”的“巡逻哨兵”发起。这些哨兵的任务是识别病菌表面的“身份标签”，一旦发现入侵者，立即拉响警报，启动广谱免疫反应，将大部分“敌人”拒之门外。

然而，总有一些病菌极其狡猾，它们能向植物细胞分泌一种名为“效应蛋白”的“生化武器”，抑制植物的第一道免疫防线，从而进入细胞。这时，魔高一尺、道高一丈，聪明的植物会启动第二道防线。

第二道防线就是被效应因子触发的免疫，又被称为“ETI”。ETI的启动依赖于植物细胞中的“特种部队”——NLR抗病蛋白。它有“火眼金睛”，能识别出病菌释放的“生化武器”，继而触发局部细胞的“自毁程序”。一旦程序启动，植物将不惜牺牲局部细胞，来阻止病原体的扩散。

柴继杰团队此次的研究重点，就是植物免疫系统第二道防线上的“特种部队”——细胞内的抗病蛋白。这支“特种部队”时刻监视着病菌的入侵。

他们发现，当病菌突破第一道防线后，植物细胞内的“特种部队”会释放特殊的信号分子，这些信号分子就像一把“钥匙”，会改变细胞内“门锁”——一类特定的蛋白复合物的形状。一旦“门锁”的状态改变，就会被“辅助员”——辅助蛋白感应，从而触发强烈的免疫反应。

有趣的是，植物的免疫系统也有“刹车机制”。就像汽车需要刹车来避免失控，植物也需要一种机制来防止过度的免疫反应，以免对生长发育造成损害。研究发现，植物细胞内还有另一类辅助蛋白，它们会像“守门员”一样，抢先占据“门锁”，从而抑制免疫反应。

柴继杰表示，尽管他们还没有探明“守门员”出手干预免疫反应的机会，但可以肯定的是，它们会进行负向调控，而这种“激活-抑制”的平衡机制，是植物在长期进化中形成的“自我保护”策略。

“从宏观角度看，植物免疫的激活、抑制机制是长期进化适应的结果。免疫需要适度，过强会伤及自身。例如，流感时的细胞因子风暴并非由病毒直接引起，而是免疫反应过度导致的。”柴继杰说，“植物通过这种平衡机制，既能有效抵御病原体，又能保持正常的生长发育。”

在柴继杰看来，这种平衡的艺术，正是植物在漫长进化中形成的独特“免疫智慧”。

科研长跑中的平常心

植物有它们的免疫智慧，柴继杰及其团队也有他们的科研智慧。探明植物细胞中微小的分子变化，靠的是研究团队长达20年的积累与探索。

1998年，柴继杰在美国普林斯大学的施一公实验室从事博士后研究，专注于一种特定的程序性死亡-细胞凋亡的机制研究。“虽然当时的研究方向与植物免疫不完全相同，但我们在研究中发现了一些与植物抗病蛋白相似的蛋白结构。”柴继杰说，“这些经历为我后来研究植物免疫机制奠定了基础。”

2004年，柴继杰回国加入北京生命科学研究所，与专注于植物与微生物相互作用机理研究的周俭民展开密切合作。“我们在交流中发现植物抗病蛋白在植物免疫中起着极为重要的作用，”柴继杰由此确定了他未来要深耕的领域——植物免疫。

在科研领域，植物免疫的研究大致经历了三个阶段：早在七八十年前，人们就已知晓抗病基因的存在；1993年，首个抗病基因被成功克隆，此后更多抗病基因陆续被发现。然而，这些抗病基因如何识别病原体并触发植物免疫反应，依然是未解之谜，“而这正是我们团队的研究方向。”柴继杰说。

从2004年开始的合作，到2007年的初步突破，再到2013年的重要进展，团队走过了漫长的探索之路。2019年发现抗病蛋白在激活之后形成的“抗病小体”被认为是植物抗病领域的里程碑事件，2020年进一步揭示了TNL类抗病蛋白的激活机制。如今，团队终于解开了抗病蛋白激活与抑制的双重密码，在传统“守卫模型”基础上提出“修饰自我”模型，将植物免疫研究推向新高度。

科研就是一场长跑。“一年、五年甚至十年没有成果，在我们这里都是正常的。”柴继杰说，“这些都是科研的常态，要想做好科研就要有这样一颗平常心。”

从实验室到田间地头

这项研究的意义在于理论创新，更在于为抗病作物的育种提供重要指导。目前，团队已在水稻中展开探索。

柴继杰表示：“通过基因编辑技术调控辅助蛋白的表达比例，有望培育出兼具抗病性与高产性的作物品种。”

联合国粮农组织估计，每年有高达40%的全球作物产量因病虫害而减产，造成经济损失超2,200亿美元。历史上的爱尔兰马铃薯饥荒、北美小麦绝收等悲剧，均与作物抗病性缺陷密切相关。

“在作物驯化过程中，人们追求高产优势，却在某种程度上牺牲了抗病性能。”柴继杰说，“我们的研究为找回这些‘丢失的盔甲’提供了科学地图。”

柴继杰表示，未来研究团队将深入探究温度、湿度等环境因素对植物免疫的影响。

“实验室结果能否在复杂田间环境中重现？如何让作物既不过度‘敏感’也不‘迟钝’？”柴继杰认为，解开这些谜题，才能真正实现“智能抗病”——让植物根据威胁等级动态调整防御策略。

论文的评审人认为：“这一发现对于深入理解植物免疫机制具有极其重要的意义，因为该信号通路是双子叶植物中最为关键的免疫信号转导路径之一，其功能数十年来一直未被揭示。”

“我们希望未来通过基因编辑优化抗病蛋白，培育出抗病性与产量兼具的新品种，推动农业可持续发展。”柴继杰说。

柴继杰研究团队合影。受访者供图

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相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08521-7