Science | 植物免疫系统藏有“拆弹专家”？雷晓光/周俭民团队合作解析植物抗病的化学机制

在人类与致病菌的永恒博弈中，植物世界早已演化出精妙的防御体系。2025年2月28日，北京大学雷晓光团队联合崖州湾国家实验室周俭民团队在Science发表题为“A widespread plant defense compound disarms bacterial type III injectisome assembly”的研究论文，揭开了植物抵御病原细菌入侵的神秘机制——一种名为芥酸酰胺的植物天然代谢物，能精准拆解病原菌的“生化武器”，为绿色农业提供了新的可能。

植物细菌性病害是植物生长过程中的重大威胁，对农业和生态系统都有极大的影响。病原细菌通过侵染植物组织引发叶斑、枯萎、腐烂等病害，严重时可导致农作物减产甚至绝收。当病原细菌悄然入侵时，植物的化学防御系统正在上演着肉眼不可见的分子战争。传统认知中，植物抗病代谢物多采用“毒杀”战术，但最新研究发现，芥酸酰胺另辟蹊径：它像一位精明的拆弹专家，专门拆除病原菌的“生化武器”——三型分泌系统 (Type III secretion system, T3SS)。三型分泌系统是多种动植物病原细菌用来向宿主细胞分泌毒性蛋白的装置，对致病不可或缺。芥酸酰胺破坏病原细菌三型分泌系统的装配，将病原细菌变得无害。

2010年James R Alfano团队观察到免疫激活的植物具有抑制病原细菌三型分泌系统的能力，但这个“护身符”的本质却一直蒙着神秘面纱。雷晓光与周俭民团队敏锐捕捉到这一线索，提出假说：这可能是一个免疫诱导产生的植物天然代谢物。带着这个猜想，两个团队开启了长达15年的“寻宝”之旅——以生化活性为导向，通过分离、纯化的手段最终在植物代谢物的迷宫中锁定了关键目标，即芥酸酰胺。不同于传统植物抗性代谢物的“地毯式轰炸”，芥酸酰胺给病原细菌进行了精准的“外科手术”，使其丧失致病能力而不影响其生存。

芥酸酰胺广泛存在于包括水稻、大豆等多种植物中，在免疫激活后会大量积累，并对多种病原细菌具有广谱活性。遗传实验表明，芥酸酰胺的积累，是植物实现对病原细菌免疫的关键。通过对多种芥酸酰胺衍生物的合成及活性分析，联合团队揭示了影响其活性的关键化学结构。综合运用化学蛋白组学、生化实验、蛋白结构预测、分子对接及分子动力学模拟等多种方法，研究团队捕捉到这场微观战争的精彩画面：芥酸酰胺与三型分泌系统的重要组分HrcC特异结合，导致病原菌的“生化武器”装配失败，使细菌“哑火”。值得注意的是，芥酸酰胺对水稻白叶枯、番茄青枯病等多种作物细菌病害均具有强大的保护作用，暗示其在作物细菌病害防治中的潜在应用价值。该项工作揭示了植物化学防御新机制，为环境友好型生物农药的开发以及作物抗病分子育种奠定了基础。

图1 芥酸酰胺的工作模型

中国科学院遗传与发育生物学研究所已毕业研究生/崖州湾国家实验室博士后缪佩、北京大学已毕业研究生王海军及中国科学院遗传与发育生物学研究所副研究员王伟为论文的共同第一作者，北京大学雷晓光教授和崖州湾国家实验室首席科学家周俭民研究员为共同通讯作者。北京大学王继纵教授团队、上海交通大学姚玉峰教授团队等也参与了这项工作。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0377