新技术让植物免疫系统实现“按需定制”

中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队首次提出“可编程植物合成免疫”新理念，建立可编程合成植物免疫受体（SPIR）设计平台，实现了植物免疫受体的精准定制化设计，突破天然抗病基因资源瓶颈，为快速应对新发及变异病原病害提供了全新技术路线。相关研究7月24日在线发表于《科学》。

植物病害每年给全球农业造成数千亿美元经济损失，传统抗病育种高度依赖天然存在的抗病基因，其主要编码核苷酸结合富亮氨酸重复（NLR）免疫受体。但已鉴定的抗病基因数量有限，且病原物不断变异，导致抗性容易被突破。攻克“精准靶向设计植物免疫受体”这一科学难题，成为领域内长期的目标。

高彩霞团队另辟蹊径，聚焦一类非典型NLR免疫受体中的“整合诱饵”（ID）结构域——该结构域体积小、功能独立，具备良好的模块化改造潜力。研究团队借助人工智能蛋白质设计工具，针对预测的病原蛋白结构从头设计结合蛋白，并将其作为人工“诱饵”整合至水稻免疫受体Pikm-1中，形成全新的合成免疫受体。整个设计过程无需依赖已有抗病基因，仅凭病原蛋白的预测结构信息即可完成，实现了植物免疫受体的可编程精准定制化创制。

为验证平台可行性，研究团队首先针对马铃薯Y病毒衣壳蛋白设计48个SPIR，其中11个能特异性识别靶标并激活植物免疫反应。随后，他们进一步针对13种重要植物病毒以及细菌、真菌、卵菌等病原物的蛋白，共设计并测试391个SPIR，成功率达18.2%（71个有效），首次证明人工智能辅助设计可实现植物免疫受体从头创制。

针对部分SPIR存在的免疫活性不足、自激活等短板，研究团队将SPIR平台与前期开发的植物体内定向进化系统GRAPE相结合，显著增强了SPIR对病原蛋白的免疫活性，并有效降低了其自激活水平，完善了“设计—构建—测试—进化”全流程体系。进一步实验表明，不同SPIR具有高度特异性，且可通过基因叠加同时识别多种病原；表达SPIR的植物能有效抵御相应病毒的侵染，展现出在作物抗病澳良中的良好应用前景。

这项研究标志着植物免疫受体从“天然挖掘发现”向“人工精准设计”的范式转变。期刊国际审稿人评价其为“植物免疫工程领域的重大进展”。未来，随着人工智能、蛋白质设计与植物体内进化技术的深度融合，植物合成免疫受体有望实现完全按需设计，为作物抗病澳良提供通用解决方案。