遇到危险，很多人的第一反应是迈开双腿，“逃”。可植物没有“脚”怎么办，只能乖乖“束手就擒”吗？

其实，在漫长的进化过程中，它们修炼出了完备的防御系统，能够对外部入侵奋起反抗——我国科学家的最新研究成果揭开了这一困扰学界的重要谜题，取得植物免疫研究领域的重大突破

与人和动物类似，植物在成长的过程中会不断受到来自病毒、细菌、真菌、昆虫等的侵袭。它们虽然不能像人和动物那样移动躲避，但也不是逆来顺受，任“菌”宰割。看起来无计可施的植物，其实比我们想象中“聪明”许多——在漫长的进化过程中，它们修炼出了完备的防御系统，能够对这些入侵奋起反抗。

这些植物究竟是如何动用防御系统实现绝地反击的？前不久，清华大学教授柴继杰团队、王宏伟团队联合中国科学院遗传发育所研究员周俭民团队，在顶级学术期刊《科学》发表相关成果，揭开了这一困扰学界长达数十年之久的重要谜题。

举足轻重的抗病蛋白

农作物增产主要有两种途径，一是培育优良作物品种改善土地生产能力，二是防治病虫害提高作物单产。双管齐下，农作物产量可迅猛提升，但也会遭遇“成长的烦恼”。

“中国是一个农业大国，也是农业病虫害最为严重的国家之一。”根据周俭民提供的数据，我国每年因病虫害损失的粮食相当于2亿至3亿人一年的口粮。为减少病害，部分地区长期、大量施用农药，耕地面积仅占全球8%的中国，农药施用量占到全球的三分之一。

当化学农药污染形势日益严峻，越来越多的科学家将研究目光对准生物育种，但烦恼也相伴而至。南京农业大学植物保护学院院长王源超坦言，中国的育种学家“一直在拼命地育种，但新品种用个三五年，抗性就消失了，似乎总也追不上病原菌的变异速度”。

困境如何破解？周俭民认为，减少农药使用，提高植物自身的免疫力可能才是最关键的那把“钥匙”。而这一定程度上又依赖于另一个“主角”——抗病蛋白。

与人类一样，植物也具有复杂、精细调控的免疫系统，用于识别病原微生物、激活防卫反应，从而保护自己免受侵害。在它们启动免疫系统御敌的过程中，植物细胞内数目众多的抗病蛋白，发挥着举足轻重的作用：它们既是监控病虫侵害的哨兵，也是动员植物防卫系统的指挥官。

然而，这一掌握着植物生杀大权的抗病蛋白到底是如何发挥作用的？多年来，始终无人弄清其中的工作原理。“抗病蛋白理论研究的一个巨大瓶颈在于——缺乏蛋白质结构。”周俭民说，抗病蛋白的构成复杂、分子量大且构象多变，对解析其结构带来了极大困难。自从25年前国际上首次鉴定到抗病蛋白以来，多个国际顶尖实验室均未能破解完整的抗病蛋白结构。

既然如此，为何还要“明知山有虎偏向虎山行”？在周俭民看来，抗病蛋白的活性该如何管控？抗病蛋白是不是能够形成一个强大的防御机器？这个机器是如何发挥功能的？这些答案都能从蛋白质结构中找到线索。而抗病蛋白机理的研究将为防控重大病虫害提供新思路。

令人惊叹的攻防策略

向着科学的高峰努力攀登，周俭民与柴继杰团队合作，在2007年至2008年提出了植物与病原细菌间攻防的“诱饵模型”假设，并提供了初步证据。

原来，病原细菌可以通过植物叶片表面的气孔进入叶片内部，在植物细胞间隙中夺取营养并增殖。当然，植物并不会坐以待毙。“植物细胞表面有许多被称为受体的蛋白，它们是植物的第一道防线，能识别病原菌的分子，从而调动细胞内的防御系统来抵抗细菌。而狡猾的细菌会向植物细胞内分泌毒性蛋白，利用特殊化学反应精准破坏植物防御系统的关键蛋白。”清华大学和中国科学院的科学家发现，植物在长期斗争中变得更加高明，进化出由抗病蛋白和“诱饵”蛋白组成的第二道防线，欺骗细菌的毒性蛋白，当毒性蛋白破坏“诱饵”蛋白时，会迅速激活抗病蛋白。

“我们认为，植物的抗病蛋白就像一个老鼠夹子，‘诱饵’蛋白就像夹子上的奶酪。当‘老鼠’闻着奶酪味过来时，夹子就会一下子把它抓住。”周俭民说。不过，因为这一假设与当时的主流看法相去甚远，在相当长一段时间内，“诱饵模型”迟迟没有被认可。

咬定青山不放松，在中国科学院战略性先导科技专项的支持下，周俭民团队发现了多个支持“诱饵模型”的分子证据，进一步明晰了病原细菌和植物之间令人惊叹的攻防策略：病原细菌的一个致病蛋白AvrAC精准破坏植物免疫系统中的关键组分，帮助细菌侵染植物寄主；而植物则利用特殊的“诱饵”蛋白，感知AvrAC的活动并将信息传递给植物抗病蛋白ZAR1，迅速激活免疫反应，清除细菌。

与此同时，柴继杰团队持续推进蛋白质结构研究。不久，长期致力于冷冻电镜方法学研究的王宏伟团队应邀加入，提供强有力的技术支撑。

多年协作攻关，我国科学家成功解析了植物抗病蛋白的结构，发现了抗病小体，并从分子层面上揭示了抗病蛋白御敌杀敌的经过：受到毒性蛋白破坏的“诱饵”蛋白会引起抗病蛋白发生一系列构象改变，并聚合形成一个叫抗病小体的蛋白机器，这一蛋白机器具备重新调动防御系统的能力，并在植物细胞膜上发出自杀指令，让受到感染的植物细胞与细菌同归于尽，从而保护其他健康细胞。也就是说，抗病小体很可能是植物细胞死亡和免疫的执行者。

“该项工作填补了人们25年来对抗病蛋白认知的巨大空白。研究还发现，植物抗病小体的组装方式、结构与功能，与动物免疫中的炎症小体惊人相似，这展现了在不同生命形式中，进化对免疫形成的力量。”周俭民说。

新的病虫害防控手段

“首个抗病小体的发现，为植物如何控制细胞死亡和免疫提供了线索。”在《科学》杂志同期专文评述中，国际植物抗病研究权威科学家杰弗里·丹格和乔纳森·琼斯对这一重大突破性成果给予高度评价。

“大家一直认为抗病小体应该存在，但没人发现过，更不知道它的庐山真面目。这真是一个令人震惊和漂亮的结构。看到它，让我非常兴奋。”英国皇家学会会士、欧洲科学院院士索菲安·卡蒙认为，中国学者提出的“诱饵模型”非常新颖，将为植物免疫领域带来很多启示。

科学研究是为了更好地服务人类。如今，各种农作物病虫害严重威胁农业生产。为减少损失，农业生产中不得不大量施用化学农药，而这又对环境、人类健康以及农业可持续发展带来了挑战。如何在保护作物的同时减少化学农药的施用，成为摆在农业生产者和科学家面前的一道难题。

“利用抗病蛋白，发展新的病虫害防控手段，将大大减少化学农药的施用。抗病蛋白高分辨度结构和作用机制的解析，将为设计持久的新型抗病蛋白，发展绿色农业奠定核心理论基础。”周俭民表示。