从“利用自然”到“定向创制” 中国团队推动植物抗病育种迈向新阶段 - 纬来体育登录入口

植物病害是全球农业生产和粮食安全面临的严峻挑战，每年造成巨额经济损失，引起广泛关注。

植物免疫工程取得重大突破

中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队近期率先提出了“可编程植物合成免疫”的创新理念。该理念促使植物免疫受体从依赖“天然挖掘发现”转变为“人工精准设计”，标志着植物抗病育种已从“利用自然”升级至“定向创制”的新阶段。

这项在植物免疫工程领域具有里程碑意义的研究成果，已于北京时间7月24日凌晨在国际知名期刊《科学》上在线发表。审稿人对此给予高度评价，认为该研究为开发作物持久、广谱抗病性奠定了坚实基础。

资料图：高彩霞研究员在进行学术演讲。

该论文的通讯作者高彩霞研究员介绍，研究团队通过整合人工智能（AI）辅助的蛋白质设计、模块化免疫受体工程以及植物体内定向进化技术，成功构建了一个可编程合成植物免疫受体（SPIR）的设计平台。该平台能够实现植物免疫受体的精准定制设计，从而克服了天然抗病基因资源有限的瓶颈，为快速应对植物新发病害和病原物变异提供了全新的技术路径。

她进一步指出，随着人工智能、蛋白质设计和植物体内定向进化等前沿技术的深度融合，未来有望实现植物合成免疫受体的按需设计和迭代优化，为作物抗病改良提供普适性的解决方案。

人工全新合成免疫受体得以实现

研究团队解释，培育和推广抗病品种是植物病害绿色防控的关键策略之一。长期以来，作物抗病育种主要依赖发掘和利用植物自身的抗病基因。然而，植物基因组编码的免疫受体数量有限，且病原物不断进化变异，导致现有作物的抗病性易被突破。同时，新型抗病基因和免疫受体的发掘难度日益增加，耗时耗力。

因此，若能针对不同病原体定制化设计免疫受体，便可摆脱对天然抗病基因资源的依赖，使植物迅速获得抵御新发病害的能力。然而，精准靶向设计植物免疫受体一直是该领域面临的重大科学难题。

近年来，人工智能驱动的蛋白质从头设计取得了显著进展，使得设计能够特异结合特定靶蛋白的分子成为可能。本研究首先利用专业人工智能大模型预测病原蛋白的三维结构，然后通过蛋白质结合剂设计工具进行从头设计，并借助生物计算大模型工具筛选出结合能力强且稳定性高的候选蛋白。

研究团队随后将人工设计的结合蛋白替换掉天然整合诱饵结构域，并将其整合到水稻免疫受体Pikm-1中，从而构建出全新的合成免疫受体。这套标准化的合成植物免疫受体设计流程，无需依赖已有的抗病基因资源，仅依据病原蛋白的结构信息进行人工定向设计，实现了植物免疫受体的可编程精准定制创制。

从头创制植物免疫受体

在本项研究中，研究团队首先选择了马铃薯Y病毒衣壳蛋白作为验证靶标，设计了48个合成植物免疫受体，其中11个能够特异识别马铃薯Y病毒衣壳蛋白并成功激活植物免疫反应。在此基础上，研究团队进一步针对13种重要植物病毒以及细菌、真菌、卵菌等多种病原体的蛋白，完成了相应合成植物免疫受体的设计。

合成植物免疫受体（SPIR）的设计与验证示意图。

研究团队共设计并测试了391个合成植物免疫受体，其中71个（成功率18.2%）能够特异识别相应的病原蛋白并有效激活植物免疫反应，首次证明了人工智能辅助的蛋白质设计技术能够实现植物免疫受体的从头创制。

针对部分人工智能辅助设计的合成植物免疫受体存在免疫活性不足或自激活（在无病原体时产生免疫反应）等问题，研究团队进一步优化了合成植物免疫受体平台。他们将其与团队前期建立的植物体内定向进化系统相结合，显著提高了合成植物免疫受体对病原蛋白的免疫活性，同时有效降低了自激活水平，最终建立起一套完整的植物合成免疫受体“设计-构建-测试-进化”开发流程。

进一步研究表明，不同的合成植物免疫受体之间具有高度的识别特异性和正交性，并且可以通过基因叠加策略同时识别多种病原蛋白。实验也证实，表达合成植物免疫受体的转基因植物能够有效抵抗相应病毒的侵染，展现了合成植物免疫受体技术在作物抗病遗传改良方面的应用潜力。

高彩霞研究员强调，与传统的抗病育种依赖挖掘利用天然抗病基因不同，合成植物免疫受体平台首次实现了植物免疫受体的定制化设计，赋予植物识别自然界全新病原靶标蛋白的能力。利用该平台，可以在数周内针对各类病原蛋白快速设计出相应的人工合成植物免疫受体，为高效应对新发、突发病害和病原物变异提供了全新的技术途径。