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　　植物(wu)細菌性病(bing)(bing)害是(shi)農業生(sheng)產和生(sheng)態平衡(heng)的重大威脅(xie)之(zhi)一(yi)。這類病(bing)(bing)害由病(bing)(bing)原細菌侵染植物(wu)組織引(yin)發(fa)，可導致葉斑、枯萎、腐爛等多種癥(zheng)狀，嚴重時(shi)甚至造(zao)成農作物(wu)大面積減產乃(nai)至絕(jue)收。這不(bu)僅直接威脅(xie)全球(qiu)糧食安全，還會引(yin)發(fa)一(yi)系列連鎖反應，包括經濟損失、生(sheng)態環境破壞(huai)等深遠影響。

　　目(mu)前，植物細菌(jun)性(xing)病害(hai)的防(fang)控(kong)工作(zuo)面臨嚴峻挑(tiao)戰：病原(yuan)菌(jun)耐(nai)藥性(xing)的快(kuai)速進(jin)化使得傳統農藥的防(fang)治效(xiao)果顯著下降(jiang);致病菌(jun)的持(chi)續變異對新型(xing)農藥研(yan)發(fa)(fa)提出了更(geng)高的技(ji)術要求，現有(you)防(fang)治體(ti)系的有(you)效(xiao)性(xing)正面臨前所未有(you)的考驗。在此背景(jing)下，深入研(yan)究植物自身的抗病機制及其化學防(fang)御(yu)策略(lve)，對開(kai)發(fa)(fa)環境友好型(xing)新型(xing)農藥、構建可持(chi)續的病害(hai)防(fang)控(kong)體(ti)系具有(you)重(zhong)要的理(li)論和實踐意義。這(zhe)一(yi)研(yan)究方向不僅有(you)助于降(jiang)低細菌(jun)性(xing)病害(hai)的危害(hai)程(cheng)度，更(geng)為農業生產的綠(lv)色轉型(xing)提供(gong)了新的突破口。

　　2025年2月28日，北京大學化學與分子工程學院/北大-清華生命科學聯合中心雷曉光教授團隊聯合中國科學院遺傳發育所/崖州灣國家實驗室周儉民研究員團隊在Science上發表了題為“A widespread plant defense compound disarms bacterial type III injectisome assembly”的研究論文(Science 2025, 387, eads0377)，首次揭示了一類植物內源存在的、具有作用機制獨特、廣譜抗菌活性的天然產物分子——芥酸酰胺。研究表明，芥酸酰(xian)胺通過(guo)特(te)異性破(po)壞植物病(bing)(bing)(bing)原細菌的(de)(de)三型分泌(mi)系統(T3SS)組(zu)裝，有效抑制其致病(bing)(bing)(bing)力(li)，從而實現對(dui)(dui)多種細菌侵染的(de)(de)廣譜(pu)抑制作用(yong)。這(zhe)一機制體(ti)現了“不戰而屈人之兵(bing)”的(de)(de)創(chuang)新(xin)抗菌策略，與傳(chuan)統抗生(sheng)(sheng)素(su)藥(yao)物相比(bi)具(ju)有顯(xian)著(zhu)優(you)勢：芥酸酰(xian)胺不直接殺滅細菌，而是選擇(ze)性地降低病(bing)(bing)(bing)原菌的(de)(de)致病(bing)(bing)(bing)力(li)，這(zhe)種獨特(te)的(de)(de)作用(yong)模式不僅確保了更高(gao)的(de)(de)生(sheng)(sheng)物安(an)全性，還顯(xian)著(zhu)減少了對(dui)(dui)環境的(de)(de)污染風險，同(tong)時有效規(gui)避(bi)了細菌耐藥(yao)性的(de)(de)產生(sheng)(sheng)。這(zhe)一重大科學發(fa)現為新(xin)型生(sheng)(sheng)物農(nong)藥(yao)的(de)(de)研發(fa)開(kai)辟了全新(xin)路徑，對(dui)(dui)推動綠色農(nong)業可(ke)持續發(fa)展具(ju)有重要的(de)(de)理論和實踐意義。

論文截圖

　　雷(lei)曉光(guang)團隊長期致力(li)于機理(li)導向的、且具有(you)轉化前景的天(tian)(tian)然產物(wu)化學生物(wu)學研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。在過去的兩年內，他們在利用天(tian)(tian)然產物(wu)治療(liao)人(ren)類重(zhong)大(da)疾(ji)病、發(fa)現具有(you)重(zhong)要生理(li)和病理(li)意義的人(ren)體內源天(tian)(tian)然產物(wu)分子，以及揭示重(zhong)要天(tian)(tian)然藥物(wu)分子生物(wu)合成途徑等(deng)多個研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)方向上取得了(le)開拓性(xing)的研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)成果(guo)，相(xiang)關工作(zuo)陸續發(fa)表在Science 2023, 381, eadd5787;Cell 2024, 187, 7164;Science 2024, 386, eadl0799;Science 2024, 383, 622。

　　圍繞“發(fa)現具有獨(du)特(te)作(zuo)用機(ji)制的(de)(de)植(zhi)物(wu)(wu)內源抗病(bing)天然(ran)產(chan)物(wu)(wu)”這(zhe)(zhe)一(yi)關鍵科學(xue)(xue)問題，自(zi)2015年(nian)起，雷曉光(guang)團隊(dui)與周(zhou)儉民團隊(dui)展開了深(shen)(shen)入的(de)(de)合(he)作(zuo)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)。這(zhe)(zhe)一(yi)跨學(xue)(xue)科合(he)作(zuo)充分發(fa)揮(hui)了雙方的(de)(de)優勢：雷曉光(guang)團隊(dui)在(zai)活性(xing)天然(ran)產(chan)物(wu)(wu)的(de)(de)發(fa)現、合(he)成(cheng)(cheng)及(ji)靶標鑒(jian)定等化學(xue)(xue)生物(wu)(wu)學(xue)(xue)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)領(ling)(ling)域具有深(shen)(shen)厚積累，而周(zhou)儉民團隊(dui)則(ze)在(zai)植(zhi)物(wu)(wu)天然(ran)免疫機(ji)制研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)方面擁有豐(feng)富的(de)(de)經驗。基于(yu)這(zhe)(zhe)一(yi)強(qiang)(qiang)強(qiang)(qiang)聯合(he)，合(he)作(zuo)團隊(dui)于(yu)2020年(nian)在(zai)Cell Host & Microbe上發(fa)表(biao)了突破性(xing)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)成(cheng)(cheng)果，首次揭示了植(zhi)物(wu)(wu)通過產(chan)生異(yi)硫氰酸(suan)酯類天然(ran)產(chan)物(wu)(wu)分子Sulforaphane(SFN)特(te)異(yi)性(xing)抑制植(zhi)物(wu)(wu)病(bing)原菌(jun)III型分泌系統的(de)(de)分子機(ji)制。這(zhe)(zhe)一(yi)重要發(fa)現為后續(xu)研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)奠定了堅實基礎(chu)。在(zai)此(ci)基礎(chu)上，合(he)作(zuo)團隊(dui)持續(xu)深(shen)(shen)耕植(zhi)物(wu)(wu)抗病(bing)天然(ran)產(chan)物(wu)(wu)領(ling)(ling)域，成(cheng)(cheng)功鑒(jian)定出一(yi)類具有全新作(zuo)用機(ji)制的(de)(de)抗病(bing)天然(ran)產(chan)物(wu)(wu)，為植(zhi)物(wu)(wu)免疫研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)開辟了新的(de)(de)方向(xiang)。

　　在(zai)該項突破性(xing)研(yan)究(jiu)中，合作(zuo)團(tuan)隊通過系統(tong)的(de)(de)分離、純(chun)化(hua)和鑒定(ding)，發現了一種全新的(de)(de)植物(wu)(wu)(wu)抗(kang)(kang)病(bing)化(hua)合物(wu)(wu)(wu)——芥酸(suan)酰(xian)(xian)胺。與(yu)傳統(tong)的(de)(de)植物(wu)(wu)(wu)抗(kang)(kang)病(bing)化(hua)合物(wu)(wu)(wu)相比，芥酸(suan)酰(xian)(xian)胺具有(you)顯著的(de)(de)特征：它(ta)不(bu)僅廣(guang)泛存(cun)在(zai)于水稻、大(da)豆等多(duo)種重(zhong)要(yao)農作(zuo)物(wu)(wu)(wu)中，而(er)且能夠在(zai)植物(wu)(wu)(wu)免疫激(ji)活后大(da)量積累(lei)，展現出對多(duo)種病(bing)原細(xi)菌的(de)(de)廣(guang)譜抗(kang)(kang)性(xing)。尤為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)(de)是，芥酸(suan)酰(xian)(xian)胺的(de)(de)作(zuo)用機制突破了傳統(tong)認知：不(bu)同于一般植物(wu)(wu)(wu)抗(kang)(kang)病(bing)化(hua)合物(wu)(wu)(wu)通過直(zhi)接殺滅(mie)或抑制微生(sheng)物(wu)(wu)(wu)生(sheng)長的(de)(de)抗(kang)(kang)病(bing)方式，芥酸(suan)酰(xian)(xian)胺采用了一種更為(wei)精巧(qiao)的(de)(de)策(ce)略——特異性(xing)解(jie)除病(bing)原細(xi)菌的(de)(de)“武器(qi)”系統(tong)。

　　研(yan)究(jiu)發現，芥酸酰胺(an)能(neng)夠靶向(xiang)破壞病(bing)(bing)(bing)原細(xi)菌的(de)關鍵致(zhi)病(bing)(bing)(bing)裝(zhuang)置——三型分(fen)泌系(xi)統(Type III secretion system, T3SS)。T3SS是許多動植物病(bing)(bing)(bing)原細(xi)菌用于(yu)向(xiang)宿主細(xi)胞分(fen)泌毒(du)性效應蛋(dan)白的(de)核(he)心(xin)裝(zhuang)置，對細(xi)菌致(zhi)病(bing)(bing)(bing)性至關重(zhong)(zhong)要。通(tong)過(guo)遺傳學(xue)實(shi)驗，研(yan)究(jiu)團隊證實(shi)芥酸酰胺(an)的(de)積累(lei)是植物實(shi)現對病(bing)(bing)(bing)原細(xi)菌免疫的(de)關鍵機制(zhi)。進一步的(de)研(yan)究(jiu)揭示，芥酸酰胺(an)與T3SS的(de)重(zhong)(zhong)要組分(fen)HrcC蛋(dan)白特異性結(jie)合，干擾(rao)其在(zai)病(bing)(bing)(bing)原細(xi)菌外膜上的(de)正確(que)定位，從而有效抑(yi)制(zhi)T3SS的(de)組裝(zhuang)，使病(bing)(bing)(bing)原細(xi)菌失去致(zhi)病(bing)(bing)(bing)能(neng)力。

　　為深入解析芥(jie)酸酰(xian)胺的(de)(de)(de)作用(yong)機制(zhi)，研究團隊(dui)綜合運用(yong)了多(duo)種先(xian)進技術手段(duan)：通過合成大量芥(jie)酸酰(xian)胺衍(yan)生物(wu)并進行系(xi)統活(huo)性(xing)分(fen)(fen)析，確定了抗病(bing)(bing)活(huo)性(xing)分(fen)(fen)子的(de)(de)(de)關鍵化(hua)學(xue)(xue)結(jie)構;結(jie)合化(hua)學(xue)(xue)蛋(dan)(dan)白(bai)質組(zu)學(xue)(xue)、生化(hua)實(shi)驗、蛋(dan)(dan)白(bai)結(jie)構預測、分(fen)(fen)子對(dui)接(jie)及分(fen)(fen)子動力學(xue)(xue)模擬等方法(fa)，闡明了芥(jie)酸酰(xian)胺與(yu)HrcC蛋(dan)(dan)白(bai)的(de)(de)(de)相互作用(yong)機制(zhi)。值得注意的(de)(de)(de)是(shi)，芥(jie)酸酰(xian)胺對(dui)水(shui)稻白(bai)葉(xie)枯病(bing)(bing)、番(fan)茄(qie)青(qing)枯病(bing)(bing)等多(duo)種重要(yao)作物(wu)細(xi)菌(jun)性(xing)病(bing)(bing)害均表現出顯著的(de)(de)(de)保(bao)護效果(guo)，顯示出廣闊的(de)(de)(de)農業應用(yong)前景(jing)。

　　這項研究不僅突破了領域(yu)內對植物(wu)(wu)抗(kang)性代謝(xie)物(wu)(wu)作用機(ji)制的(de)傳統(tong)認知，更(geng)為(wei)開(kai)發環境友好(hao)型生物(wu)(wu)農(nong)藥和(he)(he)開(kai)展(zhan)作物(wu)(wu)抗(kang)病分子育種提(ti)供(gong)了重要的(de)理論基礎和(he)(he)技術支撐，對推動綠(lv)色(se)農(nong)業(ye)發展(zhan)具(ju)有重要的(de)科學意義和(he)(he)應用價值。

芥(jie)酸酰胺通過抑(yi)制細菌(jun)三型分泌系統組(zu)裝而產生(sheng)廣譜抗菌(jun)活性(xing)的(de)工(gong)作模型

　　中(zhong)國(guo)科(ke)學院(yuan)遺傳(chuan)與發(fa)育生(sheng)物學研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)已(yi)畢業研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)生(sheng)繆(mou)佩、北(bei)京大(da)(da)(da)學已(yi)畢業研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)生(sheng)王(wang)海(hai)軍及中(zhong)國(guo)科(ke)學院(yuan)遺傳(chuan)與發(fa)育生(sheng)物學研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)副研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)員王(wang)偉為論文的共同(tong)(tong)第一作(zuo)者，雷(lei)曉(xiao)光和周儉(jian)民為共同(tong)(tong)通訊作(zuo)者。北(bei)京大(da)(da)(da)學王(wang)繼縱(zong)研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)團隊、上海(hai)交通大(da)(da)(da)學姚玉峰團隊等(deng)(deng)也參與了這項工作(zuo)。該工作(zuo)得到了國(guo)家重點研(yan)(yan)(yan)(yan)發(fa)計劃、國(guo)家自(zi)然科(ke)學基金等(deng)(deng)項目和北(bei)京分子科(ke)學國(guo)家研(yan)(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)中(zhong)心、北(bei)大(da)(da)(da)-清(qing)華生(sheng)命科(ke)學聯合中(zhong)心等(deng)(deng)機構的資助。