Science | 南京农业大学揭示植物免疫新机制，揭秘抗病基因的“分子保险”

马铃薯晚疫病是全球最具毁灭性的病害之一，是重大历史事件“爱尔兰大饥荒”的始作俑者，时至今日仍造成全球年过100亿美元的损失，被我国列入农业农村部《一类农作物病虫害名录》[1]。鉴定抗病新基因、解析抗病机制并精准改良作物抗性，是创制持久抗病作物和实现病害可持续治理的核心策略。当前，全球农业生产中主效抗病基因主要为NLR类基因，但NLR蛋白的异常激活会导致产量受损。因此，植物如何在静息状态下维持NLR稳态避免其异常激活，却又要在病原侵染时精准激活其免疫功能，是领域内的重要科学问题。

2026年7月2日，南京农业大学植物保护学院/农林生物安全全国重点实验室在Science发表了题为Surface Immune Signaling Unlocks NLR Activation Through mRNA Alternative Splicing的研究论文，发现马铃薯抗晚疫病NLR受体中存在一种抑制免疫活性的新元件——“分子保险”（Safety Lock），且植物细胞膜免疫信号可定向解锁“分子保险”并使得抗病蛋白进入到可被激活状态。该研究不仅揭示了植物不同免疫通路协同调控的一种分子机制，也丰富了作物抗病性改良的新工具，并为新型免疫诱抗剂的开发提供了新思路。

植物免疫系统主要由细胞膜受体PRRs介导的模式触发免疫PTI和胞内受体NLRs介导的效应子触发免疫ETI两层防线构成。其中，NLR抗病蛋白是植物抵御病原侵染的核心元件[2]。研究人员注意到一个现象：部分植物NLR蛋白在发挥功能所必需的MADA基序前，还携带一段功能未知的N端延伸序列。那么，这段序列是否作为调控元件在免疫过程中发挥作用？

发现抗病受体前端存在抑制免疫激活的“分子保险”

部分NLR蛋白的免疫功能启动依赖其N端MADA保守基序，该基序能够介导NLR蛋白形成抗病小体。而在探究优良抗晚疫病基因Rpi-vnt1.1的抗性分子机制过程中，团队意外地发现了其编码MADA基序的核酸上游存在着一个5' 端U12型内含子。通过可变剪切，这一内含子可以被保留或剪除，进而形成两种不同转录本（图1A），并分别翻译产生携带或缺失N端延伸的蛋白形式。

功能分析显示，仅有移除N端延伸的IS（Intron Splicing）型蛋白能够高效组装抗病小体并激活完整免疫反应，但其过表达会造成免疫自激活导致细胞死亡（图1B）；而保留N端延伸的IR（Intron Retention）型蛋白则丧失免疫功能（图1C）。进一步生化分析表明，保留N端延伸的IR型蛋白无法组装出具免疫活性的抗病小体（图1D）。

研究据此提出“分子保险”概念，这种N端延伸元件作用于NLR抗病蛋白上，使得在植物未受到病原侵染时，抗病蛋白主要以N端延伸保留的形式存在，抑制免疫活性，从而避免抗病蛋白异常激活导致的免疫代价和生长发育损伤。

图1 Rpi-vnt1.1通过可变剪切产生的两种蛋白形式存在免疫功能差异

揭示植物细胞膜免疫信号定向剪除分子保险进而解锁抗病受体的分子机理

那么，这道“分子保险”究竟是如何被解除的？研究发现，利用细胞膜免疫信号分子INF1和flg22处理烟草或马铃薯后，Rpi-vnt1.1的5'端内含子可变剪切显著增强，活性的IS转录本比例快速升高，免疫反应明显增强。而在PTI关键共受体BAK1缺失或沉默的植物材料中，这种可变剪切的诱导变化显著降低，Rpi-vnt1.1介导的抗病反应也明显减弱。与此同时，人工移除N端延伸的IS突变体，即使没有PAMP信号预处理也表现出高水平免疫活性，不再依赖细胞膜受体激活，说明PTI发挥作用的关键环节主要位于可变剪切环节。

上述结果勾勒出一条清晰的分子通路（图2）：植物细胞通过膜上受体PRRs识别病原 菌后迅速激活PTI通路，随即诱导Rpi-vnt1.1精准发生内含子剪切——抗病蛋白的“分子保险”被解除、MADA基序暴露，具免疫活性的蛋白比例随之增加。这些被预先解锁的活性抗病受体一旦识别到病原分泌的效应子AVRvnt1，便能迅速组装抗病小体、引发超敏反应（HR），实现ETI免疫的即时高效精准响应。

由此，该研究提出了“PTI识别→可变剪切开关→ETI解锁”的免疫协同调控新模型，揭示了一种植物细胞膜免疫信号通路释放NLR免疫功能、预激活胞内免疫的新机理。

图2 细胞膜免疫信号精准激活可变剪切解锁抗病受体引发免疫反应

动植物免疫蛋白趋同进化出“分子保险”以精准调控免疫过程

这种调控机制是否只存在于植物Rpi-vnt1.1？研究进一步分析了133个被子植物基因组和346个重注释茄科基因组，共鉴定出600余个NLR蛋白具有类似的MADA基序上游N端延伸结构。系统发育分析显示，这些携带N端延伸的NLR形成相对独立的进化分支——这暗示着利用 “分子保险”来抑制免疫活性的机制并非个别基因的偶然现象，而可能是一类NLR受体采用的保守调控策略。

值得注意的是，哺乳动物中也存在这种“通过可变剪切控制免疫蛋白活性”的策略，如穿孔蛋白Gasdermin B的成孔活性同样依赖特定的可变剪切亚型，而无效亚型的功能则被抑制[3]。植物和动物在进化过程中独立形成类似策略，提示通过可变剪切开关调控免疫蛋白活性，可能是真核生物共有的重要调节方式。

构建作物抗性改良和新型诱抗剂筛选的新体系

本研究的潜在应用价值在于：（一）理性设计广谱抗病基因。通过挖掘新基因或改造现有抗病基因，引入膜免疫信号依赖型抑制元件，能够实现病原菌保守信号分子触发免疫激活的广谱抗性。这与先前清华大学刘玉乐教授团队 “通过N端切割精准激活NLR”[4]的思路异曲同工。（二）筛选靶向剪切开关的小分子诱抗剂。未来有望利用该机制筛选出特异性促进NLR剪切的潜在分子，通过喷施药剂与抗病品种联用，实现植物抗性可控激活及病害精准防控，为新型生物农药的开发提供了全新的工具与方法。

南京农业大学作物疫病团队董莎萌教授和英国帝国理工学院Tolga Bozkurt教授为论文共同通讯作者。南京农业大学高楚云博士（现芝加哥大学博士后）和博士生孟曦为论文共同第一作者，陈先楚（金善宝实验班直博生）、杨雷云教授、王源超教授、毕业生李康平、孙碧莹和帝国理工学院Tarhan Ibrahim、Enoch Lok Him Yuen等参与了本研究工作。本研究也得到了Sophien Kamoun教授、Jonathan Jones教授、张正光教授、王燕教授等国内外同行的指导。合作单位包括帝国理工学院、Sainsbury研究所等。该项目得到教育部基础学科和交叉学科突破计划、国家自然科学基金、农林生物安全全国重点实验室联合攻关项目、国家现代农业产业技术体系、英国BBSRC项目等资助。

南京农业大学作物疫病团队晚疫病绿色防控小组近年来围绕晚疫病持久抗性的设计取得了系列进展，阐明了RB、Rpi-vnt1.1等抗病基因的持久抗性机制（Plant Cell，2024；PNAS，2020）；探索了抗病基因理性聚合的机理和策略（JIPB，2025）；与中国农业科学院等单位合作挖掘了抗晚疫病新基因并提出了“插件式”抗病育种策略（Nature，2025）；阐明了单细胞水平马铃薯响应晚疫病菌的免疫“分工协作”机制（Nature Plants，2026）。

参考文献：

[1] Dong S, Zhou S. Potato late blight caused by Phytophthora infestans: From molecular interactions to integrated management strategies. J Integr Agric. 2022;21(12):3456-3466. doi:10.1016/j.jia.2022.08.060

[2] Liu F, Ge D, Lian G, Han Z, Chai J. Unraveling plant immunity: from pathogen perception to resistance engineering. Sci China Life Sci. 2026;69(3):779-793. doi:10.1007/s11427-025-3110-3

[3] Kong Q, Xia S, Pan X, et al. Alternative splicing of GSDMB modulates killer lymphocyte-triggered pyroptosis. Sci Immunol. 2023;8(82):eadg3196. doi:10.1126/sciimmunol.adg3196

[4] Wang J, Chen T, Zhang Z, et al. Remodelling autoactive NLRs for broad-spectrum immunity in plants. Nature. 2025;645(8081):737-745. doi:10.1038/s41586-025-09252-z

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx9929