·中國(guó)是農(nóng)藥使用大國(guó)，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(guó)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(zhǎng)了約80%；到今年，全球農(nóng)藥使用總銷售額預(yù)計(jì)將比2019年增加11.5%，達(dá)到1307億美元。

化學(xué)農(nóng)藥對(duì)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(guó)也紛紛加強(qiáng)了對(duì)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(guó)自2015年開展“農(nóng)藥使用零增長(zhǎng)行動(dòng)”，2022年底進(jìn)一步提出“化學(xué)農(nóng)藥減量化行動(dòng)”，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(zhēng)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(shí)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(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)生命科學(xué)獎(jiǎng)授予西湖大學(xué)植物免疫學(xué)講席教授柴繼杰、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所研究員周儉民，獎(jiǎng)勵(lì)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(jiàn)澎湃科技報(bào)道：《對(duì)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(duì)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(lái)嘮科》欄目邀請(qǐng)多位植物病理學(xué)專家進(jìn)行了一場(chǎng)“圓桌對(duì)話”，解讀2023未來(lái)科學(xué)大獎(jiǎng)-生命科學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)成果，探討植物免疫研究的過(guò)去與未來(lái)。

圓桌討論嘉賓。圖片來(lái)源：騰訊新聞

現(xiàn)實(shí)：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(shí)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(guó)植物病理學(xué)家弗洛爾（Erik A. Flor）提出了“基因?qū)蚣僬f(shuō)”：植物的抗病性由抗病基因承載，它和病原菌的無(wú)毒基因匹配，產(chǎn)生免疫反應(yīng)。而在不含互補(bǔ)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(gè)植物抗病基因被成功克隆。此后，針對(duì)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(guó)際植物免疫學(xué)研究領(lǐng)域的上述“三件大事”，中國(guó)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(gè)里程碑”，“作物病蟲害種類很多，而這項(xiàng)工作起到了先導(dǎo)作用，將會(huì)掀起農(nóng)作物抗病性研究的新浪潮，也為我們今后對(duì)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。”

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)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。“由于人口和糧食需求的壓力，我們國(guó)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(duì)農(nóng)藥和抗病品種的需求也特別大?！?/p>

中國(guó)是農(nóng)藥使用大國(guó)，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(guó)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(gè)產(chǎn)季使用的農(nóng)藥次數(shù)，通常在十幾二十次甚至更多?！?/p>

1999年至2020年全球各大洲農(nóng)藥使用量并未減少。圖片來(lái)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(shí)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(duì)未來(lái)可持續(xù)的病蟲害防控做出更有價(jià)值的工作。”王源超說(shuō)，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(duì)性地改造和設(shè)計(jì)出廣譜持久的植物抗病蛋白，減少農(nóng)藥的使用。

另一個(gè)難題是，植物的高抗病性往往伴隨著產(chǎn)量低的代價(jià)。中國(guó)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(guò)去的研究中發(fā)現(xiàn)了這一點(diǎn)，“因?yàn)橹参锩庖呒せ钜矔?huì)一定程度上影響自身生長(zhǎng)發(fā)育，如果不能穩(wěn)產(chǎn)，這個(gè)抗病基因或許就不能用，這時(shí)需要生物學(xué)家和育種學(xué)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?hào)機(jī)制，也會(huì)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(jiān)克難，唯有熱愛(ài)

二十多年來(lái)，圍繞植物免疫激活的未解之謎，國(guó)際上許多實(shí)驗(yàn)室無(wú)功而返。直到冷凍電鏡技術(shù)的成熟，啟動(dòng)植物免疫信號(hào)的“抗病小體”才揭開神秘的面紗。

2015年，周儉民團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)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(yàn)證了早期提出的“誘餌模型”。2019年，柴繼杰團(tuán)隊(duì)成功解析了相關(guān)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，還原出整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)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(gè)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(lái)被證明可以在細(xì)胞膜上形成鈣離子通道，通過(guò)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(lái)源：清華大學(xué)。

“植物免疫系統(tǒng)就像一個(gè)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(gè)元件?！庇?guó)賽恩斯伯里實(shí)驗(yàn)室資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(jiǎng)級(jí)別’的成果?！?/p>

她指出，柴繼杰在動(dòng)物細(xì)胞凋亡體、動(dòng)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?cè)诮Y(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?cè)谶M(jìn)化上沒(méi)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(yùn)作方式?！?/p>

王源超介紹，早在2012年，周儉民團(tuán)隊(duì)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(hào)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(lái)很簡(jiǎn)單，也不是特別高精尖的工作，但如果沒(méi)有長(zhǎng)時(shí)間的積累，一點(diǎn)一點(diǎn)去體會(huì)，一般人根本想不到。你必須熱愛(ài)這個(gè)領(lǐng)域，才能克服各種困難?！蓖踉闯f(shuō)，圍繞植物抗病基因識(shí)別病原菌的模式，學(xué)界此前還提出過(guò)“警戒學(xué)說(shuō)”、“直接識(shí)別學(xué)說(shuō)”，“如果周老師他們沒(méi)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(diǎn)評(píng)道，“抗病小體是誘餌蛋白、抗病蛋白、來(lái)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(gè)相對(duì)比較動(dòng)態(tài)的過(guò)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(shí)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(gè)挑戰(zhàn)，是一件非常了不起的事?！?/p>

未來(lái)：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(huì)助長(zhǎng)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(huì)加劇重大病蟲害發(fā)生，“病蟲害防治壓力也是越來(lái)越大?！?/p>

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(guò)去一個(gè)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?！?/p>

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(lái)源：農(nóng)藥圖集2022，Heinrich-B?ll-Stiftung及其他。

馬文勃說(shuō)，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(gè)病原菌毒性蛋白“一一對(duì)應(yīng)”的特異性，精確地改造出農(nóng)作物現(xiàn)實(shí)需要的抗病性，實(shí)現(xiàn)廣譜和長(zhǎng)效的抗病效果，“相當(dāng)于有了一把萬(wàn)能的瑞士軍刀，要是能提前預(yù)測(cè)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(lái)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(duì)此，馬文勃也表示，正是抗病小體的結(jié)構(gòu)解析讓這個(gè)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(dú)看抗病蛋白在非激活情況下的單體，永遠(yuǎn)不可能設(shè)計(jì)出這樣的小分子化合物。”

她提到，繼五聚體抗病小體之后，柴繼杰團(tuán)隊(duì)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(lái)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(hào)分子從而達(dá)到增強(qiáng)免疫力的作用。”

針對(duì)高抗高產(chǎn)性狀無(wú)法兼?zhèn)涞膯?wèn)題，何祖華分享道，傳統(tǒng)的思路是通過(guò)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(zhǎng)發(fā)育，將它對(duì)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(méi)有及時(shí)噴施農(nóng)藥的情況下，損失就更大。而通過(guò)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(duì)于保障糧食安全發(fā)揮了重要的作用?！焙巫嫒A說(shuō)。

他還談到，目前中國(guó)在水稻和小麥的抗病研究上處于國(guó)際領(lǐng)先，但同時(shí)，“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(lái)攻克。”

康振生對(duì)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(huì)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(gè)特例。”

他期待，通過(guò)廣泛的研究，最終形成統(tǒng)一的植物免疫理論和模式，對(duì)于全球不同作物和病害的改良發(fā)揮重要作用?！皬倪@個(gè)意義上講，解析植物抗病機(jī)理要針對(duì)不同的病原菌，找到一個(gè)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(lái)發(fā)展的一個(gè)方向?！?/p>