浙江
植物病害常年威胁全球农作物生产，而天然存在的植物免疫受体数量有限且识别范围狭窄，这严重制约了抗病育种工作的效率。2026年7月23日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员团队在《Science》期刊发表了题为“Programmable design of synthetic plant immune receptors for pathogen protein recognition”的研究论文，该研究成功建立了一套合成植物免疫受体（SPIRs）的编程化设计体系，通过人工智能辅助的蛋白质设计技术，研究团队将这些新设计的结合模块嫁接到水稻免疫受体Pikm-1中作为其整合诱饵结构域，从而实现了对多种植物病原蛋白的定向识别。
研究团队首先以水稻中已有的Pikm-1/Pikm-2免疫受体对作为改造支架，这类非典型NLR受体的整合诱饵结构域可以直接识别病原效应蛋白并启动免疫信号。科研人员选取了马铃薯Y病毒、木薯褐条病毒、番茄斑萎病毒和马铃薯X病毒等多种农业生产中危害严重的病毒，利用AlphaFold 3预测这些病毒外壳蛋白或核衣壳蛋白的精确三维结构，再通过BindCraft软件从头设计出能够与这些靶标蛋白紧密结合的人工结合模块。在将这些模块嫁接到Pikm-1受体中之后，团队共测试了391个SPIR设计，其中71个设计在植物体内表现出了强烈且特异的免疫反应。这些SPIRs不仅能够识别病毒来源的蛋白，还成功拓展到了细菌的HopF2和XopG效应因子、真菌的Tip6效应蛋白以及卵菌的Avh331效应蛋白，表明该设计策略对不同类型病原体具有广泛的适用性。
针对最初设计中大量出现的自发免疫活性或无免疫活性的问题，研究团队结合人工智能引导的蛋白质定向进化策略进行了系统性优化。他们运用SolubleMPNN算法对结合模块的氨基酸序列进行多样化改造，并借助高彩霞团队此前开发的GRAPE植物体内定向进化平台开展高效筛选。该平台利用双生病毒复制子作为载体，将免疫受体变体库导入烟草叶片，当受体识别目标病原蛋白并激活免疫反应时，细胞死亡会抑制病毒复制子的扩增，从而通过测序分析即可精确评估每个变体的功能。利用这一负向选择机制，团队成功从大量变体中筛选出了既保留高活性又消除了自发免疫的优化版本，针对番茄棕色皱果病毒外壳蛋白的SPIR#20变体和针对蚕豆萎蔫病毒2蛋白酶结构域的SPIR#13变体均展示出了显著改善的性能。
在特异性验证实验中，九个针对不同病原蛋白设计的SPIRs分别与各自的靶标和非靶标蛋白共表达于烟草叶片中，每个SPIR仅对与其设计目标一致的蛋白产生免疫反应，未观察到任何交叉识别现象。研究团队还尝试将多个完整的SPIR表达盒共同转入同一植物细胞，结果显示植物能够同时响应多个不同病原蛋白的挑战并产生累加性的免疫输出。最后在在病毒感染实验中，表达针对番茄棕色皱果病毒外壳蛋白的SPIR的转基因本氏烟草植株，无论是通过农杆菌浸润接种还是机械摩擦接种该病毒的侵染性克隆，均表现出了显著的抗病性。当研究团队将病毒基因组中负责外壳蛋白表达的RNA依赖型RNA聚合酶编码区引入终止密码子突变后，病毒的复制被完全阻断且SPIR不再激活免疫反应，这明确证实了SPIR识别的是病毒复制过程中产生的真实靶标蛋白，而非农杆菌导入的DNA模板表达产物。
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