一种真菌正威胁全球粮食安全，科学家找到了新对策

由英国约翰英尼斯中心科学家牵头的国际研究团队，研究了一类新发现的植物免疫受体，弄清这些蛋白如何识别入侵真菌，并证明它们可被改造为同时识别多种真菌威胁。约翰英尼斯中心研究组长、论文作者 Mark Banfield 教授表示，他们发现的东西“可能有助于干预谷物作物最严重的真菌病害”。研究还包括日本神户大学合作者。

这项研究针对稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）。它是引起水稻稻瘟病的真菌，也是栽培水稻最严重的真菌病害，同时还威胁亚洲和非洲部分地区的小麦和大麦。每年稻瘟病损失的稻米足以供约6000万人食用。随着真菌扩散到更多农业区，保护作物的有效方法对全球粮食安全越来越重要。

稻瘟病菌通过复杂的生物策略侵染植物。它会向叶片和茎秆细胞中注入一类效应分子，可理解为病原注入植物细胞的“分子武器”，用来干扰植物正常功能，帮助病原建立感染并促进病害。植物也演化出防御系统：特定免疫受体能识别这些外来分子并触发保护反应。一个重要机制是让被感染细胞在局部可控地死亡，阻止病原在植物体内进一步扩散。

过去三十多年，植物免疫研究主要围绕 NLR 受体，即核苷酸结合和富含亮氨酸受体展开。它们在理解作物如何识别稻瘟病及其他感染方面起了核心作用。近年科学家开始研究谷物作物中另一类免疫蛋白——串联激酶蛋白（TKPs）。虽然它们如何工作仍在探索，但可能为强化植物防御提供新机会。

早期研究发现，一些 TKPs 含有一种名为 HMA（重金属相关）的结构域。结构域可理解为蛋白上的一个功能模块。某些 NLR 中也有类似区域，可帮助识别病原效应分子并启动免疫反应。这一共同特征引起 Banfield 和同事注意，因为这意味着科学家或许能改造受体，让它识别更多真菌威胁。Banfield 表示，如果能通过改变效应分子结合位点附近的氨基酸来设计 HMA 结构域，就可能获得新的识别特异性，形成植物抗病的“新前线”。

发表在 Science Advances 上的研究中，团队精确观察 HMA 结构域如何与稻瘟病菌释放的分子相互作用。他们使用生物物理方法和晶体学，获得受体与真菌效应分子结合的三维高分辨率图像。结果显示，HMA 结构域可像生物诱饵：通过与真菌感染时使用的分子结合，帮助植物识别入侵者并激活防御。

基于这些结构信息，研究人员改造 TKP 免疫受体，使其能识别两种与小麦和大麦感染相关的真菌效应分子。这种同时检测两个目标的能力称为双重特异性，在天然免疫受体中并不常见。研究证明可通过蛋白改造引入这种能力，为扩展作物免疫系统可识别的病原范围提供途径。成果也为探索其他谷物中新发现的 TKPs 打下基础。未来可能设计能同时识别多个真菌效应分子的定制受体，让病原更难感染植物。

虽然结果令人鼓舞，但技术仍处实验早期。研究首先使用原生质体，即去除细胞壁的小麦单个细胞，作为简化模型测试植物组织如何反应。下一步是在可控温室条件下验证改造受体能否在完整植株中提供有效保护。论文第一作者 Daniel Yu 表示，这一新类抗病蛋白适合进行工程改造，过去用于改造 NLR 的工具也可能适用。

准确理解真菌效应分子如何附着在植物免疫受体上，还可能帮助研究人员利用其他技术。精准育种和人工智能可能提供新方式重新设计 HMA 结构域，使其识别以前逃过检测的病原分子。另一个有前景思路是在同一作物中组合不同类型免疫受体。由于 NLR 和 TKP 似乎通过不同机制激活防御，组合使用可能形成多层保护，使真菌更难演化绕开植物免疫系统。Banfield 教授认为，两类受体可能以不同方式激活，田间免疫可能更稳固，不把所有希望放在一条路径上。长远看，也许能用技术把编码 TKP 和 NLR 的基因叠加，培育对同一病害超级抗性的作物；因为激活机制不同，病原更难突破。

随着稻瘟病等“叶瘟/叶枯”类病害持续威胁主要粮食作物，加强防护需求更急迫。小麦叶枯/叶瘟病20世纪80年代最早在巴西发现，随后扩散到亚洲和非洲部分地区。英国尚未检出，但气候变化可能使北欧谷物生产面临风险。对农民来说，病害在新地区出现是严峻挑战，因为这些作物养活大量人口。

该研究揭示了一种此前未被充分探索的植物免疫受体，可被改造识别多种真菌威胁，为保护未来收成提供新策略。接下来需更多测试，确认这些改造防御在完整植株和农业条件下有效。若成功，组合不同免疫受体或有助于科学家培育对这一最具破坏性真菌病害之一更具韧性的作物。