·中國是農藥使用大國，以全球8%的耕地、使用的農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%的糧食產量損失。

工業(yè)化農業(yè)高度依賴殺蟲劑和除草劑等化學農藥。自1990年至2017年間，全球農藥使用量增長了約80%；到今年，全球農藥使用總銷售額預計將比2019年增加11.5%，達到1307億美元。

化學農藥對于生態(tài)環(huán)境和人類健康的潛在危害，已經引起廣泛關注，各國也紛紛加強了對高毒農藥的審批和監(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，可能進一步促進農藥使用，陷入惡性循環(huán)。

中國自2015年開展“農藥使用零增長行動”，2022年底進一步提出“化學農藥減量化行動”，到2025年，水稻、小麥、玉米等主要糧食作物化學農藥使用強度力爭比“十三五”期間降低5%，果菜茶等經濟作物使用強度比“十三五”期間降低10%。在實現病蟲害綠色防控方面，推廣應用生物農藥，以替代化學農藥，是重要的技術路徑之一。

8月16日，2023年未來科學大獎生命科學獎授予西湖大學植物免疫學講席教授柴繼杰、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員周儉民，獎勵他們?yōu)榘l(fā)現抗病小體并闡明其結構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“革命”》）

什么是抗病小體？這一基礎研究的應用轉化前景如何？對于發(fā)展綠色農業(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專家進行了一場“圓桌對話”，解讀2023未來科學大獎-生命科學獎獲獎成果，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

現實：病原菌變異快，抗病高產品種需求大

早在100多年前，人類就認識到，農作物的抗病性可以遺傳，符合孟德爾遺傳定律。

上世紀40年代，美國植物病理學家弗洛爾（Erik A. Flor）提出了“基因對基因假說”：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，產生免疫反應。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，逐漸占據植物抗病應用的“半壁江山”。

回顧完國際植物免疫學研究領域的上述“三件大事”，中國工程院院士、西北農林科技大學教授康振生興奮地表示，“抗病小體的發(fā)現是第四個里程碑”，“作物病蟲害種類很多，而這項工作起到了先導作用，將會掀起農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>

南京農業(yè)大學校長助理王源超介紹，目前世界上還有很多嚴重的農作物病害，只能用適當的辦法限制，距離徹底攻克還很遠，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，我們國家的土壤負重指數太高，病蟲害也就格外復雜，因此對農藥和抗病品種的需求也特別大?！?/p>

中國是農藥使用大國，以全球8%的耕地、使用的農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%的糧食產量損失?！疤O果、葡萄等日常水果，在每個產季使用的農藥次數，通常在十幾二十次甚至更多?！?/p>

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

此外，“病原菌在田里變異的速度遠超人們想象，很多抗病品種在生產使用了一段時間后，非常容易就被變異的病原菌逃避免疫，不再能有效抗病，需要我們不斷加強研究、發(fā)掘新的機制，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?！蓖踉闯f，如果能夠更清楚地了解植物免疫系統是如何被激活的，或許就能針對性地改造和設計出廣譜持久的植物抗病蛋白，減少農藥的使用。

另一個難題是，植物的高抗病性往往伴隨著產量低的代價。中國科學院分子植物科學卓越創(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，這個抗病基因或許就不能用，這時需要生物學家和育種學家密切合作，找到解決方案?！币虼耍平庵参锟共〉鞍椎拿庖咝盘枡C制，也會為培育高產高抗的品種提供新的線索和技術路線。

發(fā)現之旅：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，周儉民團隊經過數年積累，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，柴繼杰團隊成功解析了相關蛋白質結構，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胞膜上形成鈣離子通道，通過調控鈣離子濃度的上升，激活植物細胞免疫反應。

五聚抗病小體頂部和側面結構示意圖。圖片來源：清華大學。

“植物免疫系統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。”英國賽恩斯伯里實驗室資深研究員馬文勃贊嘆，“在植物病學領域，許多學者都認為，抗病小體的工作是‘諾貝爾獎級別’的成果?！?/p>

她指出，柴繼杰在動物細胞凋亡體、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構上有很多相似性，比如都有花環(huán)形狀的多聚體結構和行使離子通道的功能，但是“它們在進化上沒有直接聯系，屬于趨同進化，表明這可能是自然選擇下最有效的免疫系統的運作方式?！?/p>

王源超介紹，早在2012年，周儉民團隊就在《Nature》上發(fā)表論文，發(fā)現兩種植物受體激酶（“誘餌”蛋白）可以被病原菌的效應蛋白修飾，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“證據收集”，為抗病小體的發(fā)現奠定了基礎。

“‘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。你必須熱愛這個領域，才能克服各種困難?！蓖踉闯f，圍繞植物抗病基因識別病原菌的模式，學界此前還提出過“警戒學說”、“直接識別學說”，“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制。這一系列的工作是逐漸深入的。”

圓桌討論主持、北京航空航天大學教授葉盛也從結構生物學角度點評道，“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復合物，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。如何大量表達和純化不在共同時間狀態(tài)下的復合物，是擺在結構生物學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?！?/p>

未來：給植物“吃藥”強身健體

全球氣候變化導致極端天氣災害頻發(fā)，是否會助長農作物病蟲害？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?！?/p>

康振生表示，現在綠色防控的核心是減少農藥使用量，而最好的措施就是利用抗病抗蟲品種，“既經濟、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)現和新技術的產生，將為更高效精準地培育優(yōu)質廣譜的抗病品種提供新途徑?！?/p>

生物農藥替代化學農藥，是病蟲害綠色防控的方法之一。圖片來源：農藥圖集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制后，可以改變它原本和某個病原菌毒性蛋白“一一對應”的特異性，精確地改造出農作物現實需要的抗病性，實現廣譜和長效的抗病效果，“相當于有了一把萬能的瑞士軍刀，要是能提前預測病原菌變異的方向，準備好抗病蛋白，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，也可以減少農藥使用。對此，馬文勃也表示，正是抗病小體的結構解析讓這個想法成為可能，從激活或阻斷兩方面調控抗病小體的功能，“如果單獨看抗病蛋白在非激活情況下的單體，永遠不可能設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生小分子化合物的酶，可以激活下游的免疫反應，“這給我們帶來了更大的機遇，我們可以模仿植物本身產生的這些激活免疫的信號分子從而達到增強免疫力的作用?！?/p>

針對高抗高產性狀無法兼?zhèn)涞膯栴}，何祖華分享道，傳統的思路是通過遺傳學篩選，找到抗病基因和高產基因耦合的最佳組合，而隨著分子育種技術和基因編輯技術的發(fā)展應用，可以進一步研究抗病小體如何影響植物生長發(fā)育，將它對產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量的5-15%，在沒有及時噴施農藥的情況下，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。植物保護對于保障糧食安全發(fā)揮了重要的作用。”何祖華說。

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，需要植物病理學家和遺傳學家一起來攻克?！?/p>

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，是非常復雜的體系。現在看抗病小體的發(fā)現，還是一個特例。”

他期待，通過廣泛的研究，最終形成統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，解析植物抗病機理要針對不同的病原菌，找到一個真正的總開關，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。”