·中國是農(nóng)藥使用大國，以全球8%的耕地、使用的農(nóng)藥量在全球占比接近40%。在大量病蟲害防控措施下，中國每年主要糧食作物病蟲害的發(fā)生面積仍在21億畝次左右，通常造成約10%的糧食產(chǎn)量損失。

工業(yè)化農(nóng)業(yè)高度依賴殺蟲劑和除草劑等化學(xué)農(nóng)藥。自1990年至2017年間，全球農(nóng)藥使用量增長了約80%；到今年，全球農(nóng)藥使用總銷售額預(yù)計將比2019年增加11.5%，達(dá)到1307億美元。

化學(xué)農(nóng)藥對于生態(tài)環(huán)境和人類健康的潛在危害，已經(jīng)引起廣泛關(guān)注，各國也紛紛加強(qiáng)了對高毒農(nóng)藥的審批和監(jiān)管。然而，伴隨氣候變化、土壤退化、生物多樣性喪失，病蟲害不斷變異，可能進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)藥使用，陷入惡性循環(huán)。

中國自2015年開展“農(nóng)藥使用零增長行動”，2022年底進(jìn)一步提出“化學(xué)農(nóng)藥減量化行動”，到2025年，水稻、小麥、玉米等主要糧食作物化學(xué)農(nóng)藥使用強(qiáng)度力爭比“十三五”期間降低5%，果菜茶等經(jīng)濟(jì)作物使用強(qiáng)度比“十三五”期間降低10%。在實現(xiàn)病蟲害綠色防控方面，推廣應(yīng)用生物農(nóng)藥，以替代化學(xué)農(nóng)藥，是重要的技術(shù)路徑之一。

8月16日，2023年未來科學(xué)大獎生命科學(xué)獎授予西湖大學(xué)植物免疫學(xué)講席教授柴繼杰、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員周儉民，獎勵他們?yōu)榘l(fā)現(xiàn)抗病小體并闡明其結(jié)構(gòu)和在抗植物病蟲害中的功能做出的開創(chuàng)性工作。（詳見澎湃科技報道：《對話柴繼杰、周儉民：二十年科研合作，掀植物免疫學(xué)“革命”》）

什么是抗病小體？這一基礎(chǔ)研究的應(yīng)用轉(zhuǎn)化前景如何？對于發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)有何重要意義？近日，騰訊新聞《一起來嘮科》欄目邀請多位植物病理學(xué)專家進(jìn)行了一場“圓桌對話”，解讀2023未來科學(xué)大獎-生命科學(xué)獎獲獎成果，探討植物免疫研究的過去與未來。

圓桌討論嘉賓。圖片來源：騰訊新聞

現(xiàn)實：病原菌變異快，抗病高產(chǎn)品種需求大

早在100多年前，人類就認(rèn)識到，農(nóng)作物的抗病性可以遺傳，符合孟德爾遺傳定律。

上世紀(jì)40年代，美國植物病理學(xué)家弗洛爾（Erik A. Flor）提出了“基因?qū)蚣僬f”：植物的抗病性由抗病基因承載，它和病原菌的無毒基因匹配，產(chǎn)生免疫反應(yīng)。而在不含互補抗病基因的植物中，病原菌的這種基因卻能特異性致病。

1993年，世界上首個植物抗病基因被成功克隆。此后，針對主要的糧食作物小麥、玉米、水稻，科學(xué)家陸續(xù)克隆出一系列抗病基因，并解析其功能。利用抗病基因編碼蛋白培育和改良抗病品種，逐漸占據(jù)植物抗病應(yīng)用的“半壁江山”。

回顧完國際植物免疫學(xué)研究領(lǐng)域的上述“三件大事”，中國工程院院士、西北農(nóng)林科技大學(xué)教授康振生興奮地表示，“抗病小體的發(fā)現(xiàn)是第四個里程碑”，“作物病蟲害種類很多，而這項工作起到了先導(dǎo)作用，將會掀起農(nóng)作物抗病性研究的新浪潮，也為我們今后對一些重大病害抗病機(jī)制的解析、作物抗病性的改良，提供了新的策略和思路?！?/p>

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)校長助理王源超介紹，目前世界上還有很多嚴(yán)重的農(nóng)作物病害，只能用適當(dāng)?shù)霓k法限制，距離徹底攻克還很遠(yuǎn)，比如小麥赤霉病、香蕉枯萎病、大豆根腐病等等?！坝捎谌丝诤图Z食需求的壓力，我們國家的土壤負(fù)重指數(shù)太高，病蟲害也就格外復(fù)雜，因此對農(nóng)藥和抗病品種的需求也特別大。”

中國是農(nóng)藥使用大國，以全球8%的耕地、使用的農(nóng)藥量在全球占比接近40%。在大量病蟲害防控措施下，中國每年主要糧食作物病蟲害的發(fā)生面積仍在21億畝次左右，通常造成約10%的糧食產(chǎn)量損失?！疤O果、葡萄等日常水果，在每個產(chǎn)季使用的農(nóng)藥次數(shù)，通常在十幾二十次甚至更多。”

1999年至2020年全球各大洲農(nóng)藥使用量并未減少。圖片來源：農(nóng)藥圖集2022，Heinrich-B?ll-Stiftung及其他。

此外，“病原菌在田里變異的速度遠(yuǎn)超人們想象，很多抗病品種在生產(chǎn)使用了一段時間后，非常容易就被變異的病原菌逃避免疫，不再能有效抗病，需要我們不斷加強(qiáng)研究、發(fā)掘新的機(jī)制，有的放矢地對未來可持續(xù)的病蟲害防控做出更有價值的工作。”王源超說，如果能夠更清楚地了解植物免疫系統(tǒng)是如何被激活的，或許就能針對性地改造和設(shè)計出廣譜持久的植物抗病蛋白，減少農(nóng)藥的使用。

另一個難題是，植物的高抗病性往往伴隨著產(chǎn)量低的代價。中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/上海植物生理生態(tài)研究所研究員何祖華在過去的研究中發(fā)現(xiàn)了這一點，“因為植物免疫激活也會一定程度上影響自身生長發(fā)育，如果不能穩(wěn)產(chǎn)，這個抗病基因或許就不能用，這時需要生物學(xué)家和育種學(xué)家密切合作，找到解決方案。”因此，破解植物抗病蛋白的免疫信號機(jī)制，也會為培育高產(chǎn)高抗的品種提供新的線索和技術(shù)路線。

發(fā)現(xiàn)之旅：攻堅克難，唯有熱愛

二十多年來，圍繞植物免疫激活的未解之謎，國際上許多實驗室無功而返。直到冷凍電鏡技術(shù)的成熟，啟動植物免疫信號的“抗病小體”才揭開神秘的面紗。

2015年，周儉民團(tuán)隊經(jīng)過數(shù)年積累，在模式植物擬南芥中，篩選出抗病蛋白ZAR1作為理想的研究模型，從中驗證了早期提出的“誘餌模型”。2019年，柴繼杰團(tuán)隊成功解析了相關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，還原出整個動態(tài)過程：植物中的“誘餌”蛋白PBL2和RKS1，可以特異性感知病原菌的效應(yīng)蛋白AvrAC，激活抗病蛋白ZAR1，共同組裝成一個環(huán)狀五聚體蛋白機(jī)器。

他們把它命名為“抗病小體”。它就像一朵五瓣的紫金花，中間凸起的“花心”部分，后來被證明可以在細(xì)胞膜上形成鈣離子通道，通過調(diào)控鈣離子濃度的上升，激活植物細(xì)胞免疫反應(yīng)。

五聚抗病小體頂部和側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。圖片來源：清華大學(xué)。

“植物免疫系統(tǒng)就像一個非常精密的儀器，而抗病小體就是它的心臟，也就是最中心的一個元件?！庇惗魉共飳嶒炇屹Y深研究員馬文勃贊嘆，“在植物病學(xué)領(lǐng)域，許多學(xué)者都認(rèn)為，抗病小體的工作是‘諾貝爾獎級別’的成果。”

她指出，柴繼杰在動物細(xì)胞凋亡體、動物炎癥小體方面有深厚的研究背景，而植物的抗病小體和它們在結(jié)構(gòu)上有很多相似性，比如都有花環(huán)形狀的多聚體結(jié)構(gòu)和行使離子通道的功能，但是“它們在進(jìn)化上沒有直接聯(lián)系，屬于趨同進(jìn)化，表明這可能是自然選擇下最有效的免疫系統(tǒng)的運作方式?！?/p>

王源超介紹，早在2012年，周儉民團(tuán)隊就在《Nature》上發(fā)表論文，發(fā)現(xiàn)兩種植物受體激酶（“誘餌”蛋白）可以被病原菌的效應(yīng)蛋白修飾，抑制其激酶活性，從而抑制植物免疫信號通路。這些植物和病原之間精妙的攻防策略的“證據(jù)收集”，為抗病小體的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

“‘誘餌’蛋白的修飾，看起來很簡單，也不是特別高精尖的工作，但如果沒有長時間的積累，一點一點去體會，一般人根本想不到。你必須熱愛這個領(lǐng)域，才能克服各種困難。”王源超說，圍繞植物抗病基因識別病原菌的模式，學(xué)界此前還提出過“警戒學(xué)說”、“直接識別學(xué)說”，“如果周老師他們沒有提出‘誘餌模式’，就不可能從原子水平深刻地解釋抗病小體的機(jī)制。這一系列的工作是逐漸深入的?！?/p>

圓桌討論主持、北京航空航天大學(xué)教授葉盛也從結(jié)構(gòu)生物學(xué)角度點評道，“抗病小體是誘餌蛋白、抗病蛋白、來自病原體的蛋白等裝配在一起的蛋白質(zhì)復(fù)合物，這是一個相對比較動態(tài)的過程，需要特殊的免疫事件去激活。如何大量表達(dá)和純化不在共同時間狀態(tài)下的復(fù)合物，是擺在結(jié)構(gòu)生物學(xué)家面前的巨大的挑戰(zhàn)。柴老師能夠克服這個挑戰(zhàn)，是一件非常了不起的事。”

未來：給植物“吃藥”強(qiáng)身健體

全球氣候變化導(dǎo)致極端天氣災(zāi)害頻發(fā)，是否會助長農(nóng)作物病蟲害？康振生給出了十分肯定的答案，“有巨大影響”。不僅如此，水稻、小麥種植密度提高，施肥、灌溉增加，都會加劇重大病蟲害發(fā)生，“病蟲害防治壓力也是越來越大。”

康振生表示，現(xiàn)在綠色防控的核心是減少農(nóng)藥使用量，而最好的措施就是利用抗病抗蟲品種，“既經(jīng)濟(jì)、有效，又環(huán)境友好”，“過去一個抗病品種的培育可能需要八到十年，如今抗病小體的發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)的產(chǎn)生，將為更高效精準(zhǔn)地培育優(yōu)質(zhì)廣譜的抗病品種提供新途徑。”

生物農(nóng)藥替代化學(xué)農(nóng)藥，是病蟲害綠色防控的方法之一。圖片來源：農(nóng)藥圖集2022，Heinrich-B?ll-Stiftung及其他。

馬文勃說，了解抗病蛋白和抗病小體的激活機(jī)制后，可以改變它原本和某個病原菌毒性蛋白“一一對應(yīng)”的特異性，精確地改造出農(nóng)作物現(xiàn)實需要的抗病性，實現(xiàn)廣譜和長效的抗病效果，“相當(dāng)于有了一把萬能的瑞士軍刀，要是能提前預(yù)測病原菌變異的方向，準(zhǔn)備好抗病蛋白，我們就能走到病原菌前面?！?/p>

還有一種手段，是讓植物“吃藥”，增強(qiáng)自身免疫力。王源超提出，未來可以篩選一些小分子化合物，激活植物的免疫系統(tǒng)，也可以減少農(nóng)藥使用。對此，馬文勃也表示，正是抗病小體的結(jié)構(gòu)解析讓這個想法成為可能，從激活或阻斷兩方面調(diào)控抗病小體的功能，“如果單獨看抗病蛋白在非激活情況下的單體，永遠(yuǎn)不可能設(shè)計出這樣的小分子化合物?！?/p>

她提到，繼五聚體抗病小體之后，柴繼杰團(tuán)隊去年還解析了一類四聚體抗病小體，它本身是一種可以產(chǎn)生小分子化合物的酶，可以激活下游的免疫反應(yīng)，“這給我們帶來了更大的機(jī)遇，我們可以模仿植物本身產(chǎn)生的這些激活免疫的信號分子從而達(dá)到增強(qiáng)免疫力的作用?！?/p>

針對高抗高產(chǎn)性狀無法兼?zhèn)涞膯栴}，何祖華分享道，傳統(tǒng)的思路是通過遺傳學(xué)篩選，找到抗病基因和高產(chǎn)基因耦合的最佳組合，而隨著分子育種技術(shù)和基因編輯技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，可以進(jìn)一步研究抗病小體如何影響植物生長發(fā)育，將它對產(chǎn)量的影響降到最低程度。

“病蟲害真正造成的損失大概是糧食總產(chǎn)量的5-15%，在沒有及時噴施農(nóng)藥的情況下，損失就更大。而通過病蟲害的有效防控，可以挽回這部分糧食損失。植物保護(hù)對于保障糧食安全發(fā)揮了重要的作用?！焙巫嫒A說。

他還談到，目前中國在水稻和小麥的抗病研究上處于國際領(lǐng)先，但同時，“還有很多重要的病蟲害缺乏高效的抗病基因，需要植物病理學(xué)家和遺傳學(xué)家一起來攻克。”

康振生對此也頗有共鳴，“自然界作物和病原菌種類很多，同一種作物也會感染不同的病原菌，是非常復(fù)雜的體系。現(xiàn)在看抗病小體的發(fā)現(xiàn)，還是一個特例?！?/p>

他期待，通過廣泛的研究，最終形成統(tǒng)一的植物免疫理論和模式，對于全球不同作物和病害的改良發(fā)揮重要作用?！皬倪@個意義上講，解析植物抗病機(jī)理要針對不同的病原菌，找到一個真正的總開關(guān)，提高作物整體綜合的抗病性，這是我們未來發(fā)展的一個方向?！?/p>