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作物疫病被稱為“植物瘟疫”，是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的毀滅性殺手，疫霉菌作為主要元兇，100多年前曾引起著名的愛(ài)爾蘭大饑荒。

在我國(guó)，大豆疫霉根腐病年均發(fā)生面積超過(guò)數(shù)千萬(wàn)畝，致災(zāi)嚴(yán)重的田塊甚至?xí)^收，因此被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部列為對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)危害特別嚴(yán)重的“I類農(nóng)作物病害”。

近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院作物疫病研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借“重大作物疫病致害與防控的分子基礎(chǔ)”系統(tǒng)研究，榮獲2025年度教育部科學(xué)研究?jī)?yōu)秀成果獎(jiǎng)（自然科學(xué)和工程技術(shù)）特等獎(jiǎng)。研究不僅揭開(kāi)了疫霉菌致病力強(qiáng)大的“百年之謎”，更為作物綠色防控提供了全新武器與策略。

“從機(jī)制機(jī)理的突破，到廣譜抗病基因的挖掘，再到綠色農(nóng)藥的研發(fā)應(yīng)用，我們面向國(guó)家重大需求，從綠色防控著手、守護(hù)大國(guó)糧倉(cāng)?！蹦暇┺r(nóng)業(yè)大學(xué)作物疫病研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王源超說(shuō)。

識(shí)別“分子誘餌”，為抗病分子設(shè)計(jì)提供“線索”

在肉眼難以窺見(jiàn)的微觀世界，一場(chǎng)持續(xù)的“軍備競(jìng)賽”從未停歇——植物與病原微生物之間，攻防交織、斗爭(zhēng)不止。

“20多年來(lái)，我們聚焦大豆等作物疫病的致害與防控研究，試圖解答兩大關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：病原菌如何攻擊寄主？植物如何啟動(dòng)免疫反擊？”王源超教授介紹，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在疫霉菌侵染寄主植物的早期階段，病菌孢子附著植物組織后，分泌大量致病蛋白進(jìn)入植物細(xì)胞。這些致病蛋白被稱作“效應(yīng)子”，是病原菌的關(guān)鍵武器。

“我們發(fā)現(xiàn)，疫霉菌效應(yīng)子并不是單打獨(dú)斗，而是相互協(xié)作，展開(kāi)一場(chǎng)‘波浪式攻擊’?！蓖踉闯蛄藗€(gè)形象的比方，“不同效應(yīng)子組成的集群會(huì)分階段攻擊植物免疫系統(tǒng)，一些效應(yīng)子只會(huì)在早期入侵，有一些會(huì)持續(xù)攻擊，還有一些后期才‘登場(chǎng)’。”

為了防止疫霉菌侵入植物細(xì)胞，植物會(huì)大量分泌抑制子來(lái)干擾效應(yīng)子的活性，保護(hù)植物不受侵害。

這場(chǎng)微觀世界的“戰(zhàn)爭(zhēng)”遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，疫霉菌還有入侵植物的新機(jī)制——“誘餌模式”。

科研人員經(jīng)過(guò)反復(fù)培養(yǎng)、提取、驗(yàn)證，從大豆根腐病菌的質(zhì)外體中鑒定到一個(gè)核心致病因子：糖基水解酶XEG1。有意思的是，XEG1還有一個(gè)孿生兄弟：失去酶活性的突變體XLP1。當(dāng)疫霉菌釋放XLP1時(shí)，植物分泌的抑制子GIP1就全體出動(dòng)防御XLP1，真正的武器XEG1就在XLP1的掩護(hù)下，成功攻克植物防線。

“這是一種聲東擊西的戰(zhàn)術(shù)，XLP1雖然與XEG1相似、協(xié)同作用，但它本身并無(wú)破壞力，而是‘分子誘餌’，且吸引抑制子GIP1的能力較XEG1高出5倍以上，欺騙植物免疫系統(tǒng)?！蓖踉闯忉屨f(shuō)。

作為植物病理學(xué)研究的嶄新視角，這一突破性發(fā)現(xiàn)已被寫(xiě)入《普通植物病理學(xué)》教科書(shū)。

“在‘誘餌模式’中，誘餌作為另一種重要的致病因子，其識(shí)別同樣需要得到重視。”英國(guó)牛津大學(xué)教授雷尼爾·范德霍恩認(rèn)為，“‘誘餌模式’研究對(duì)抗病分子設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。”

發(fā)現(xiàn)“哨兵”，找到植物免疫的關(guān)鍵受體

在發(fā)現(xiàn)疫霉菌的“誘餌模式”后，團(tuán)隊(duì)并未止步，他們意識(shí)到，若能找到植物中直接識(shí)別核心效應(yīng)子并啟動(dòng)免疫的“哨兵”，就有可能從源頭上阻斷疫霉菌的進(jìn)攻。

團(tuán)隊(duì)隨即圍繞核心效應(yīng)子X(jué)EG1尋找抗病基因，經(jīng)過(guò)對(duì)植物細(xì)胞膜上千余個(gè)受體蛋白的大規(guī)模篩選，成功鑒定到XEG1的植物識(shí)別受體——跨膜蛋白R(shí)XEG1。

研究發(fā)現(xiàn)，RXEG1能激活植物的免疫反應(yīng)，作物疫病研究團(tuán)隊(duì)成員王燕教授表示：“RXEG1貫穿植物細(xì)胞膜，當(dāng)RXEG1在細(xì)胞膜外的一端識(shí)別致病因子X(jué)EG1后，會(huì)將病原菌入侵的信號(hào)傳入細(xì)胞內(nèi)，激活植物的‘防御系統(tǒng)’?！?/p>

除了具備免疫識(shí)別功能，RXEG1也能抑制XEG1降解植物細(xì)胞壁的活性?！癤EG1的酶活性口袋像一個(gè)機(jī)槍口?！蓖跹嘟榻B，“RXEG1正好將XEG1的機(jī)槍口堵住，抑制XEG1的酶活性，讓其‘解除武裝’?！?/p>

對(duì)于此項(xiàng)研究，德國(guó)圖賓根大學(xué)教授托爾斯滕·紐倫貝格認(rèn)為，“RXEG1受體識(shí)別XEG1介導(dǎo)了植物對(duì)疫霉菌侵染的抗性，可用于改造作物免疫系統(tǒng)，以抵御不同類別微生物的侵害?！?/p>

近年來(lái)，作物疫病研究團(tuán)隊(duì)圍繞核心效應(yīng)子X(jué)EG1取得了一系列基礎(chǔ)理論突破和前沿技術(shù)創(chuàng)新，代表性成果相繼在《科學(xué)》《自然》雜志發(fā)表，相關(guān)成果還入選“中國(guó)高校十大科技進(jìn)展”和“中國(guó)農(nóng)業(yè)科研重大進(jìn)展”。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所周儉民研究員認(rèn)為，對(duì)XEG1的研究揭示了植物免疫的新范式，為更好地利用和改造抗病基因、服務(wù)綠色農(nóng)業(yè)鋪平了道路。

創(chuàng)制新“武器”，建成全程綠色防控體系

在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)宿州研究院大豆生物育種中心，質(zhì)譜分析室、分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室等一系列實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配備齊全。團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，將AI技術(shù)打造為精準(zhǔn)育種的“分子手術(shù)刀”。

首先，團(tuán)隊(duì)建立抵御病害的“敵我識(shí)別系統(tǒng)”?！拔覀兝肁lphaFold等AI結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)工具，定位與病原菌靶標(biāo)蛋白相互作用的關(guān)鍵位點(diǎn)，設(shè)計(jì)出植物的改良版抗病蛋白GmPMI1。”作物疫病研究團(tuán)隊(duì)成員夏業(yè)強(qiáng)副教授表示，“改造后的蛋白能精準(zhǔn)抑制疫霉菌的侵染，同時(shí)對(duì)植物生長(zhǎng)所需的同類酶‘秋毫無(wú)犯’?！?/p>

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)借助AI深度預(yù)測(cè)對(duì)XEG1的毒性位點(diǎn)精準(zhǔn)解除，并保留其激活免疫的功能。經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化，最終創(chuàng)制出全新蛋白類免疫誘抗劑——“楠秾佑康”。

“楠秾佑康”能模擬效應(yīng)子信號(hào)，快速激活植物免疫，抵抗多種病原菌的侵染，單次使用的效果能持續(xù)數(shù)周，同時(shí)還能促進(jìn)種子萌發(fā)、增強(qiáng)光合作用與根系發(fā)育。

該產(chǎn)品應(yīng)用在大豆的效果尤為突出，噴灑后的大豆植株直到生長(zhǎng)后期仍保持健壯，籽粒飽滿，與未處理植株形成鮮明對(duì)比，為解決我國(guó)大豆普遍存在的早衰問(wèn)題提供了新的解決方案。

團(tuán)隊(duì)結(jié)合前期研發(fā)推廣的“大豆苗期病蟲(chóng)害種衣劑拌種防控技術(shù)”，建成了大豆全程綠色防控體系。

“‘種衣劑’為種子裝備能夠殺蟲(chóng)殺菌的‘鎧甲’與‘武器’，為幼苗贏得早期生長(zhǎng)的窗口期；‘楠秾佑康’則在植物生長(zhǎng)的中后期建立長(zhǎng)時(shí)間的‘免疫防線’?！弊魑镆卟⊙芯繄F(tuán)隊(duì)成員葉文武教授介紹。

綠色防控良法與良種、良機(jī)等深度融合，在全國(guó)各地的示范田都取得了顯著的增產(chǎn)成效。2024年，宿州市埇橋區(qū)高產(chǎn)田塊實(shí)收畝產(chǎn)達(dá)323.84公斤，位列農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大豆大面積高產(chǎn)競(jìng)賽（清種夏播模式）全國(guó)第二名；2025年，高產(chǎn)田塊大面積實(shí)收畝產(chǎn)提升至344.1公斤，比當(dāng)?shù)仄骄€產(chǎn)大幅度提升。

（受訪者供圖）