在人們眼中，植物總是靜默生長(zhǎng)。可實(shí)際上，在肉眼難以窺見(jiàn)的微觀(guān)世界，植物和病原微生物之間一場(chǎng)持續(xù)的“軍備競(jìng)賽”從未停歇，雙方攻防交織、智斗不休。

                                                   王源超（中）在田間指導(dǎo)學(xué)生觀(guān)察疫病的發(fā)生情況。南京農(nóng)大供圖

近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院作物疫病研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借“重大作物疫病致害與防控的分子基礎(chǔ)”系統(tǒng)研究，榮獲2025年度教育部科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)（自然科學(xué)和工程技術(shù)）特等獎(jiǎng)。該研究不僅揭開(kāi)了疫霉菌致病力強(qiáng)大的“百年之謎”，更為作物綠色防控提供了全新武器與策略。

識(shí)破“誘餌”：一場(chǎng)微觀(guān)世界的攻防智斗

作物疫病被稱(chēng)為“植物瘟疫”，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的毀滅性殺手。疫霉菌就是作物疫病的主要元兇。一百多年前，它曾引發(fā)著名的愛(ài)爾蘭大饑荒。

在我國(guó)，大豆疫霉根腐病年均發(fā)生面積超過(guò)數(shù)千萬(wàn)畝，病情嚴(yán)重的田塊甚至絕收，被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部列為對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害特別嚴(yán)重的“I類(lèi)農(nóng)作物病害”。

20多年來(lái)，作物疫病研究團(tuán)隊(duì)聚焦大豆等作物疫病的致害與防控研究，試圖解答兩大關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：病原菌如何攻擊寄主植物？植物如何啟動(dòng)免疫反擊？經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，他們發(fā)現(xiàn)疫霉菌采用效應(yīng)子的“波浪式”協(xié)同攻擊策略，并揭示了“誘餌模式”新機(jī)制。

在疫霉菌侵染寄主植物的早期階段，病菌孢子附著植物組織后，分泌大量致病蛋白進(jìn)入植物細(xì)胞。這些致病蛋白被稱(chēng)作“效應(yīng)子”，是病原菌的關(guān)鍵武器。該研究發(fā)現(xiàn)，疫霉菌效應(yīng)子并不是單打獨(dú)斗，而是相互協(xié)作，展開(kāi)一場(chǎng)“波浪式攻擊”。

“不同效應(yīng)子組成的集群會(huì)分階段攻擊植物免疫系統(tǒng)，一些效應(yīng)子只會(huì)在早期入侵，有一些會(huì)持續(xù)攻擊，還有一些后期才‘登場(chǎng)’?！弊魑镆卟⊙芯繄F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、南京農(nóng)大教授王源超介紹，為了防止疫霉菌侵入植物細(xì)胞，植物會(huì)大量分泌抑制子來(lái)干擾效應(yīng)子的活性，保護(hù)植物不受侵害。

                                                           團(tuán)隊(duì)師生開(kāi)展大豆病蟲(chóng)害調(diào)查。南京農(nóng)大供圖

隨著團(tuán)隊(duì)研究的不斷深入，他們發(fā)現(xiàn)這場(chǎng)微觀(guān)世界的“戰(zhàn)爭(zhēng)”還存在著更隱蔽的“戰(zhàn)術(shù)”——疫霉菌采取“誘餌模式”入侵植物。

經(jīng)過(guò)反復(fù)培養(yǎng)、提取、驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)從大豆根腐病菌的質(zhì)外體中鑒定到一個(gè)核心致病因子：糖基水解酶XEG1。有意思的是，XEG1還有一個(gè)孿生兄弟：失去酶活性的突變體XLP1。當(dāng)疫霉菌釋放XLP1時(shí)，植物分泌的抑制子GIP1就全體出動(dòng)防御XLP1。而真正的“武器”XEG1就在XLP1的掩護(hù)下，成功攻克植物防線(xiàn)。

“這是一種聲東擊西的戰(zhàn)術(shù)，XLP1雖然與XEG1相似、協(xié)同作用，但它本身并無(wú)破壞力，而是‘分子誘餌’，且吸引抑制子GIP1的能力較XEG1高出5倍以上，欺騙植物免疫系統(tǒng)。”王源超解釋說(shuō)。

作為植物病理學(xué)研究的嶄新視角，這一突破性發(fā)現(xiàn)已被寫(xiě)入《普通植物病理學(xué)》教科書(shū)。

“在‘誘餌模式’中，誘餌作為另一種重要的致病因子，其識(shí)別同樣需要得到重視?！庇?guó)牛津大學(xué)教授雷尼爾·范德霍恩認(rèn)為，“誘餌模式”研究對(duì)抗病分子設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。

發(fā)現(xiàn)“哨兵”：植物免疫的關(guān)鍵受體

在發(fā)現(xiàn)疫霉菌的“誘餌模式”后，他們意識(shí)到，若能找到植物中直接識(shí)別核心效應(yīng)子并啟動(dòng)免疫的“哨兵”，就有可能從源頭上阻斷疫霉菌的進(jìn)攻。

團(tuán)隊(duì)隨即圍繞核心效應(yīng)子X(jué)EG1尋找抗病基因。經(jīng)過(guò)對(duì)植物細(xì)胞膜上千余個(gè)受體蛋白的大規(guī)模篩選，成功鑒定到XEG1的植物識(shí)別受體——跨膜蛋白R(shí)XEG1。

RXEG1能激活植物的免疫反應(yīng)，作物疫病研究團(tuán)隊(duì)成員、南京農(nóng)大教授王燕說(shuō)，RXEG1貫穿植物細(xì)胞膜，當(dāng)RXEG1在細(xì)胞膜外的一端識(shí)別致病因子X(jué)EG1后，會(huì)將病原菌入侵的信號(hào)傳入細(xì)胞內(nèi)，激活植物的“防御系統(tǒng)”。

除了具備免疫識(shí)別功能，RXEG1也能抑制XEG1降解植物細(xì)胞壁的活性。“XEG1的酶活性口袋像一個(gè)機(jī)槍口?！蓖跹嗾f(shuō)，“RXEG1正好將XEG1的機(jī)槍口堵住，抑制XEG1的酶活性，讓其‘解除武裝’?！?/p>

此項(xiàng)研究于2022年發(fā)表于《自然》。德國(guó)圖賓根大學(xué)教授托爾斯滕·紐倫貝格認(rèn)為，RXEG1受體識(shí)別XEG1介導(dǎo)了植物對(duì)疫霉菌侵染的抗性，可用于改造作物免疫系統(tǒng)，以抵御不同類(lèi)別微生物的侵害。

圍繞效應(yīng)子X(jué)EG1和免疫受體RXEG1的系列研究，被植物科學(xué)領(lǐng)域期刊《分子植物》評(píng)價(jià)為“疫霉菌和植物間的史詩(shī)級(jí)戰(zhàn)爭(zhēng)”，并為此專(zhuān)門(mén)撰文評(píng)論。

實(shí)驗(yàn)表明，RXEG1的免疫激活機(jī)制顯著提升了多種重大病害的廣譜抗性，將該受體轉(zhuǎn)化到大豆中，可顯著提高對(duì)大豆疫霉的抗性；轉(zhuǎn)化到棉花中，對(duì)黃萎病的抗性也明顯增強(qiáng)；轉(zhuǎn)化到小麥中，則顯著提升了對(duì)赤霉病的抗性。

近年來(lái)，作物疫病研究團(tuán)隊(duì)圍繞核心效應(yīng)子X(jué)EG1取得了一系列基礎(chǔ)理論突破和前沿技術(shù)創(chuàng)新，代表性成果相繼在《科學(xué)》《自然》期刊發(fā)表；兩次受邀為《自然評(píng)論—微生物學(xué)》撰寫(xiě)綜述；成果入選“中國(guó)高校十大科技進(jìn)展”和“中國(guó)農(nóng)業(yè)科研重大進(jìn)展”，并獲國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目的支持。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員周儉民認(rèn)為，對(duì)XEG1的研究揭示了植物免疫的新范式，為更好地利用和改造抗病基因、服務(wù)綠色農(nóng)業(yè)鋪平了道路。

創(chuàng)制新“武器”：從理論到應(yīng)用的綠色防控利器

在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)宿州研究院大豆生物育種中心，質(zhì)譜分析室、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室等一系列實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配備齊全。團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將AI技術(shù)打造為精準(zhǔn)育種的“分子手術(shù)刀”。

一方面是建立抵御病害的“敵我識(shí)別系統(tǒng)”?！拔覀兝肁lphaFold等AI結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)工具，定位與病原菌靶標(biāo)蛋白相互作用的關(guān)鍵位點(diǎn)，設(shè)計(jì)出植物的改良版抗病蛋白GmPMI1?！弊魑镆卟⊙芯繄F(tuán)隊(duì)成員、南京農(nóng)大副教授夏業(yè)強(qiáng)表示，改造后的蛋白能精準(zhǔn)抑制疫霉菌的侵染，同時(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)所需的同類(lèi)酶“秋毫無(wú)犯”。

團(tuán)隊(duì)還借助AI深度預(yù)測(cè)對(duì)XEG1的毒性位點(diǎn)精準(zhǔn)解除，并保留其激活免疫的功能。經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化，最終創(chuàng)制出全新蛋白類(lèi)免疫誘抗劑——“楠秾佑康”。

“楠秾佑康”能模擬效應(yīng)子信號(hào)，快速激活植物免疫，抵抗多種病原菌的侵染，單次使用的效果能持續(xù)數(shù)周，同時(shí)還促進(jìn)種子萌發(fā)、增強(qiáng)光合作用與根系發(fā)育。

該產(chǎn)品應(yīng)用在大豆的效果尤為突出，噴灑后的大豆植株直到生長(zhǎng)后期仍保持健壯，籽粒飽滿(mǎn)，與未處理植株形成鮮明對(duì)比，為解決我國(guó)大豆普遍存在的早衰問(wèn)題提供了新的解決方案。

團(tuán)隊(duì)結(jié)合前期研發(fā)推廣的“大豆苗期病蟲(chóng)害種衣劑拌種防控技術(shù)”在2024年成為農(nóng)業(yè)農(nóng)村部重大引領(lǐng)性技術(shù)，構(gòu)成了大豆全程綠色防控體系。

“‘種衣劑’為種子裝備能夠殺蟲(chóng)殺菌的‘鎧甲’與‘武器’，為幼苗贏(yíng)得早期生長(zhǎng)的窗口期；‘楠秾佑康’則在植物生長(zhǎng)的中后期建立長(zhǎng)時(shí)間的‘免疫防線(xiàn)’?！弊魑镆卟⊙芯繄F(tuán)隊(duì)成員、南京農(nóng)大教授葉文武介紹。

                                               綠色防控技術(shù)在大豆生產(chǎn)中示范推廣。南京農(nóng)大供圖

綠色防控良法與良種、良機(jī)等深度融合，在全國(guó)各地的示范田都取得了顯著的增產(chǎn)成效。其中，2024年在宿州市埇橋區(qū)高產(chǎn)田塊實(shí)收畝產(chǎn)達(dá)323.84公斤，位列農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大豆大面積高產(chǎn)競(jìng)賽（清種夏播模式）全國(guó)第二名；2025年，高產(chǎn)田塊大面積實(shí)收畝產(chǎn)提升至344.1公斤，比當(dāng)?shù)仄骄€產(chǎn)大幅度提升。

“從機(jī)制機(jī)理的突破到廣譜抗病基因的挖掘和綠色農(nóng)藥的研發(fā)應(yīng)用，我們團(tuán)隊(duì)要做的就是面向國(guó)家重大需求，從綠色防控著手、守護(hù)大國(guó)糧倉(cāng)?！蓖踉闯f(shuō)。

【科學(xué)網(wǎng)】智斗植物瘟疫：從識(shí)破“誘餌”到激活“哨兵”

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