水稻白葉枯、番茄青枯病、獼猴桃潰瘍病……這些細(xì)菌性病害會(huì)引發(fā)作物葉斑、枯萎、腐爛，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致作物絕收。
然而，傳統(tǒng)抗細(xì)菌農(nóng)藥不僅種類(lèi)匱乏，且大多采用銅制劑和抗生素等方式“無(wú)差別殺菌”，對(duì)環(huán)境并不友好，且抗生素容易產(chǎn)生耐藥性。對(duì)此，兩個(gè)中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)合作找到了一種植物“自產(chǎn)藥”——芥酸酰胺，能夠讓細(xì)菌自己“拆臺(tái)”，“繳械”崩潰，達(dá)到抗病目的。相關(guān)研究2月28日發(fā)表于《科學(xué)》雜志。
這項(xiàng)被國(guó)際審稿人評(píng)價(jià)為“植物免疫領(lǐng)域令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)”的主角：一個(gè)是周儉民團(tuán)隊(duì)，深耕植物免疫領(lǐng)域，來(lái)自中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所和亞洲灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室；另一個(gè)是雷曉光團(tuán)隊(duì)，在天然產(chǎn)物合成與化學(xué)生物學(xué)、新藥發(fā)現(xiàn)方面造詣深厚，來(lái)自北京大學(xué)。
談起這項(xiàng)前后耗費(fèi)了15年光陰的研究，兩個(gè)“老伙計(jì)”在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)直言：“成功的關(guān)鍵離不開(kāi)密切合作。”
雷曉光（左）和周儉民（右）兩位“老伙計(jì)”。受訪者供圖
一場(chǎng)持續(xù)15年的“追蹤戰(zhàn)”
時(shí)光回溯至2008年，周儉民偶然讀到一篇文獻(xiàn)：當(dāng)植物宿主的免疫系統(tǒng)激活后，病原細(xì)菌向宿主細(xì)胞分泌毒性蛋白的裝置——Ⅲ型分泌系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)T3SS）
就會(huì)突然失效。這個(gè)裝置如同細(xì)菌的“注射針頭”，能將毒性蛋白注入植物細(xì)胞。若其失靈，細(xì)菌便無(wú)法致病。
植物體內(nèi)究竟發(fā)生了什么？周儉民很好奇。但答案卻無(wú)人知曉。
他大膽提出了一個(gè)假說(shuō)：植物可能藏著某種小分子或化合物，專(zhuān)門(mén)干擾病毒“注射器”。他想把這個(gè)“武器”找出來(lái)，對(duì)付植物細(xì)菌。但要從成千上萬(wàn)種植物化合物中找到這個(gè)目標(biāo)，無(wú)異于大海撈針。
2010年，雷曉光團(tuán)隊(duì)的加入讓周儉民有了一個(gè)強(qiáng)大的隊(duì)友，他們像偵探一樣，協(xié)力“追蹤”隱藏在植物體內(nèi)的神秘抗病因子。
盡管雷曉光團(tuán)隊(duì)在化學(xué)物質(zhì)分離方面底蘊(yùn)深厚，但想要撈到那根“針”也絕非易事。“You are looking for unknowns（你要找的是完全未知的對(duì)象）。這就像開(kāi)盲盒一樣，你完全不清楚會(huì)分離出什么。”雷曉光向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》直言。
周儉民也記得這項(xiàng)研究究竟有“多難產(chǎn)”：比如，最初的嘗試因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上的一個(gè)小疏忽，分離到一個(gè)假陽(yáng)性分子，兩年時(shí)間“打了水漂”。之后他團(tuán)隊(duì)的助研王偉與北大博士生張健等連續(xù)研究了八年，才分離到一個(gè)真正的活性分子，雖然對(duì)細(xì)菌也有一定抑制作用，但并不是那個(gè)最期望的分子。八年里，王偉自己的兩個(gè)孩子先后出生、長(zhǎng)大，但目標(biāo)化合物卻始終“難產(chǎn)”。
之后，是兩個(gè)團(tuán)隊(duì)更多學(xué)生的接力。論文共同一作、遺傳發(fā)育所已畢業(yè)博士生繆佩與北京大學(xué)已畢業(yè)博士生王海軍都在其中。直到2022年底，他們才從擬南芥中提取化合物，通過(guò)層層分離、活性測(cè)試，最終鎖定一種不起眼的分子——芥酸酰胺。
其實(shí)，芥酸酰胺在工業(yè)上常用作爽滑劑，可它在植物抗病方面的功能此前卻無(wú)人知曉。它是如何讓植物細(xì)菌“啞火” 的呢？為了了解其背后機(jī)制，科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用了“靶點(diǎn)垂釣”策略：將芥酸酰胺作為“魚(yú)鉤”，利用化學(xué)生物學(xué)技術(shù)“釣”出了與其結(jié)合的細(xì)菌靶點(diǎn)蛋白HrcC。他們發(fā)現(xiàn)，芥酸酰胺就像一把精準(zhǔn)的“小扳手”，能專(zhuān)門(mén)靶向HrcC，擰松細(xì)菌針頭的“基座”，讓整個(gè)“注射裝置”散架。
“也就是說(shuō)，雖然細(xì)菌還在，但它已經(jīng)不能注射毒素了，只能‘乖乖投降’，失去危害植物的能力。”周儉民形象地解釋。
芥酸酰胺擰松細(xì)菌針頭“基座”的工作機(jī)制模型。受訪者供圖
一畝地僅需幾元錢(qián)，改寫(xiě)抗細(xì)菌病害思路
為了驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)的有效性，合作團(tuán)隊(duì)將研究搬到了湖北的大田里。他們先用芥酸酰胺溶液浸泡番茄幼苗根部，再將其移栽到田里，發(fā)現(xiàn)對(duì)植物的保護(hù)效果不弱于市場(chǎng)上現(xiàn)有的銅制劑農(nóng)藥和抗生素。初步試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，如果將其噴灑到感染病害的植物表面，幾小時(shí)就能快速高效阻斷細(xì)菌攻擊。
“更重要的是，芥酸酰胺的穩(wěn)定性高，對(duì)溫度、濕度變化均不太敏感，合成成本也很低，每畝地僅需要幾元錢(qián)，且對(duì)環(huán)境無(wú)害。”周儉民說(shuō)。
周儉民表示，我國(guó)許多地區(qū)長(zhǎng)期受植物性細(xì)菌病害的研究侵襲。如在福建、浙江等地，一場(chǎng)臺(tái)風(fēng)會(huì)讓水稻白葉枯病原菌肆虐，葉片干枯，大幅減產(chǎn)。在廣西、廣東等南方濕熱區(qū)域，番茄、土豆、花生、辣椒等作物會(huì)因青枯病病原菌帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致農(nóng)田土壤污染，給來(lái)年的作物種植帶來(lái)挑戰(zhàn)。
令他印象深刻的是，2016年收到四川農(nóng)業(yè)大學(xué)一位老師發(fā)來(lái)的資料顯示，當(dāng)年該省重點(diǎn)扶貧地區(qū)蒼溪縣的獼猴桃因?yàn)闈儾〔≡僚埃瑢?dǎo)致許多果園被摧毀、撂荒，讓他十分痛心。
這項(xiàng)基礎(chǔ)研究的突破，為攻克植物細(xì)菌性病害帶來(lái)了全新的解決方案。
“傳統(tǒng)農(nóng)藥多是無(wú)差別‘殺菌’，但芥酸酰胺選擇性地讓致病菌‘繳械’，卻不影響其他微生物。”雷曉光比喻道，這就像警察只沒(méi)收兇徒的武器，不傷及無(wú)辜。這種精準(zhǔn)對(duì)抗，既能保護(hù)作物，又維持了土壤微生物群的平衡。
在雷曉光看來(lái)，這項(xiàng)研究更大的啟示還在于學(xué)習(xí)自然界的智慧：“在與微生物長(zhǎng)達(dá)數(shù)億年的進(jìn)化博弈中，植物進(jìn)化出的抗病策略，或許能幫人類(lèi)找到更多‘綠色武器’。”
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)獼猴桃種植面積約280萬(wàn)畝，累計(jì)發(fā)病面積100萬(wàn)畝，其中有一半果園被重建（數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)科學(xué)院武漢植物園鐘彩虹團(tuán)隊(duì)）。受訪者供圖
被獼猴桃潰瘍病毀掉的果園。受訪者供圖
團(tuán)隊(duì)合作，在信任中彼此成就
談起研究走向成功的秘訣，周儉民和雷曉光不約而同地回答：團(tuán)隊(duì)合作、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。
“如果沒(méi)有雷曉光，我們現(xiàn)在可能還在‘盲人摸象’。”周儉民對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，他笑言自己化學(xué)基礎(chǔ)薄弱，實(shí)驗(yàn)中的很多環(huán)節(jié)僅靠自己的團(tuán)隊(duì)單打獨(dú)斗很難完成。
他舉例說(shuō)，在實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)芥酸酰胺的緊要關(guān)頭，卻發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中該化合物的抑菌活性數(shù)據(jù)忽高忽低，團(tuán)隊(duì)一度陷入困惑。直到雷曉光團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，某些塑料器皿會(huì)釋放微量芥酸酰胺，干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。才改用玻璃器材，重新驗(yàn)證所有步驟。
“所以，我們的這場(chǎng)合作是‘兩條腿走路，缺一不可’。”周儉民說(shuō)。
2004年，周儉民從辭去美國(guó)的教職，回到北京生命科學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)北生所）工作；4年后，在美國(guó)做完博士后的雷曉光也加入同一所研究機(jī)構(gòu)，對(duì)植物天然抗病藥物的共同興趣讓兩位科學(xué)家一拍即合，合作友誼從此起步。
雷曉光團(tuán)隊(duì)?wèi){借精湛的化學(xué)技術(shù)，從植物中萃取活性物質(zhì)、分析分子結(jié)構(gòu)、合成衍生物、發(fā)現(xiàn)生物靶標(biāo)與分子機(jī)制；周儉民團(tuán)隊(duì)則專(zhuān)注于生物學(xué)問(wèn)題，研究這些物質(zhì)對(duì)植物抗病的影響，雙方優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。即便是后來(lái)兩人分別到不同的研究機(jī)構(gòu)工作，但合作依然沒(méi)有中斷。為了攻克難題，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室會(huì)每月聯(lián)合開(kāi)組會(huì)。
兩個(gè)團(tuán)隊(duì)是如何做到持續(xù)15年的合作呢？雷曉光直言：“最好的合作是互相信任、互相成就。”
15年的科研之路并非一帆風(fēng)順，但雙方始終彼此信任。起初投稿時(shí)，因機(jī)制闡釋不夠完善等原因，他們的文章被一家期刊拒絕，但他們沒(méi)有氣餒，不斷補(bǔ)充數(shù)據(jù)、完善研究。最終，凝聚了他們15年心血的研究被《科學(xué)》接收，從投稿到接收僅用了兩三個(gè)月，得到了審稿人的高度認(rèn)可。
“遇到困難的時(shí)候，我們從沒(méi)懷疑過(guò)對(duì)方團(tuán)隊(duì)的能力。”雷曉光說(shuō)，“相信最好的人一定能解決問(wèn)題，這就是合作的基礎(chǔ)。”
研究團(tuán)隊(duì)期待，下一步能與相關(guān)企業(yè)合作，推動(dòng)相關(guān)研究落地，將芥酸酰胺作為綠色農(nóng)藥來(lái)使用，從而替代高風(fēng)險(xiǎn)的銅制劑和農(nóng)用抗生素，讓農(nóng)民用上便宜又環(huán)保的“植物自產(chǎn)藥”。
此外，研究團(tuán)隊(duì)還希望嘗試通過(guò)基因編輯，讓作物自身合成更多芥酸酰胺，催生新一代“免疫增強(qiáng)型”農(nóng)作物。“我們?cè)谒局谐醪津?yàn)證，改造后的植株對(duì)白葉枯病的抗性顯著提升。”周儉民透露。這兩種應(yīng)用方式——農(nóng)藥噴灑與抗病育種，未來(lái)或能覆蓋主糧、果蔬等不同場(chǎng)景，尤其對(duì)獼猴桃潰瘍病等“無(wú)藥可治”的病害意義重大。
染白葉枯的水稻。受訪者供圖
染青枯病的花生地。受訪者供圖
本文鏈接：兩個(gè)“老伙計(jì)”帶隊(duì)，讓植物細(xì)菌“繳械”http://www.lensthegame.com/show-11-18055-0.html
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