在水稻田里，一場臺(tái)風(fēng)過后，原本翠綠的稻葉突然布滿枯黃的斑點(diǎn)，如同被火焰灼傷；在番茄大棚里，飽滿的果實(shí)還沒成熟，植株就整株枯萎，根部腐爛發(fā)臭；在獼猴桃園里，枝干上滲出琥珀色的黏液，最終整棵樹枯死……這些看似不同的災(zāi)難，背后都藏著同一個(gè)“兇手”——植物細(xì)菌性病害。

植物細(xì)菌性病害示意圖

（圖片來源：作者使用AI生成）

長期以來，人類對(duì)付這些“兇手”的武器寥寥無幾，且大多是“寧可錯(cuò)殺一千，不可放過一個(gè)”的化學(xué)農(nóng)藥，既污染環(huán)境，又容易讓細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性。

最近，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所和崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室的周儉民團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)的雷曉光團(tuán)隊(duì)合作，在植物自己的“防御系統(tǒng)”里，找到了一種能讓細(xì)菌乖乖繳械投降的神奇物質(zhì)——芥酸酰胺。這種由植物自身產(chǎn)生的化合物，像一把精準(zhǔn)的狙擊槍，能讓細(xì)菌的“致命武器”徹底失靈。這場耗時(shí)15年的科學(xué)探索，不僅揭開了植物免疫的神秘面紗，更給農(nóng)業(yè)抗病帶來了一場顛覆性的革命。相關(guān)成果發(fā)表于《科學(xué)》雜志。

植物體內(nèi)的秘密武器

要理解芥酸酰胺的神奇之處，得先認(rèn)識(shí)一下植物細(xì)菌性病害的致病工具。

在微觀世界里，能讓植物生病的細(xì)菌，比如引發(fā)水稻白葉枯病的白葉枯病菌、導(dǎo)致番茄青枯病的青枯菌，都裝備著一套精密的攻擊設(shè)備——Ⅲ型分泌系統(tǒng)：它由數(shù)十種蛋白組成，頂端有一根細(xì)長的“針頭”，基座牢牢固定在細(xì)菌表面，能精準(zhǔn)地將毒性蛋白“注射”到植物細(xì)胞內(nèi)。

當(dāng)植物的免疫系統(tǒng)被激活時(shí)，細(xì)菌的Ⅲ型分泌系統(tǒng)會(huì)罷工失效。也就是說，植物體內(nèi)一定有某種物質(zhì)，能精準(zhǔn)打擊細(xì)菌的“注射器”。要在植物的化合物寶庫里找到那把“拆解器”，堪比在太平洋里尋找一根特定的針。

科學(xué)家從擬南芥中提取了上百種化合物，逐一測試其對(duì)細(xì)菌Ⅲ型分泌系統(tǒng)的抑制作用。他們把擬南芥的提取物反復(fù)通過色譜柱，像篩沙子一樣層層篩選，再用質(zhì)譜儀分析每一種成分的結(jié)構(gòu)，最后在顯微鏡下觀察它們是否能讓細(xì)菌的“注射器”失靈。這就像在開盲盒，不知道下一個(gè)出來的是什么，更不知道哪一個(gè)才是要找的寶藏。

擬南芥

（圖片來源：Wikipedia）

功夫不負(fù)有心人，在幾百次的嘗試后，科學(xué)家們終于找到了一種名為“芥酸酰胺”的化合物——在此之前，它的身份是工業(yè)上常用的“爽滑劑”，被添加在塑料薄膜里防止粘連，從沒人想過它會(huì)是植物的“抗病衛(wèi)士”。如同在倉庫里翻出了一把蒙塵的寶劍，誰也沒想到它能在戰(zhàn)場上大殺四方。

細(xì)菌的投降儀式

芥酸酰胺到底是怎么讓細(xì)菌“繳械投降”的？這成了團(tuán)隊(duì)接下來要破解的核心謎題。

科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)：他們給芥酸酰胺裝上一個(gè)熒光標(biāo)簽，就像給魚鉤裝上發(fā)光的魚餌，讓這個(gè)“分子釣竿”能精準(zhǔn)探入細(xì)菌體內(nèi)。當(dāng)芥酸酰胺與細(xì)菌內(nèi)的蛋白結(jié)合時(shí)，就能通過熒光信號(hào)“釣”出它的作用目標(biāo)。

結(jié)果令人興奮，芥酸酰胺精準(zhǔn)地鎖定了細(xì)菌“注射器”基座上的一個(gè)關(guān)鍵蛋白——HrcC。通過冷凍電鏡觀察，團(tuán)隊(duì)看到了一幅清晰的分子解構(gòu)畫面：芥酸酰胺像一個(gè)特制的分離器，鉆進(jìn)HrcC蛋白的縫隙里，輕松一撬，就把原本緊密結(jié)合的基座結(jié)構(gòu)分離了。

細(xì)菌的注射器是個(gè)精密的復(fù)合體，HrcC就像基座上的卡扣，一旦被分離，整個(gè)裝置就散架了。這時(shí)候細(xì)菌還活著，卻再也不能向植物注射毒素，只能像被繳了械的士兵，乖乖失去戰(zhàn)斗力。

這個(gè)發(fā)現(xiàn)顛覆了人們對(duì)植物抗病的認(rèn)知。傳統(tǒng)農(nóng)藥是“無差別攻擊”，不管是有害細(xì)菌還是有益微生物，統(tǒng)統(tǒng)一網(wǎng)打盡；而芥酸酰胺是“精準(zhǔn)狙擊”，只破壞細(xì)菌的“作案工具”，對(duì)土壤里的固氮菌、根瘤菌等有益微生物毫無影響。甚至對(duì)這個(gè)致病菌本身，也沒有影響。這正是自然界的智慧——植物在數(shù)億年的進(jìn)化中，早就學(xué)會(huì)了以最小代價(jià)贏得戰(zhàn)爭。

芥酸酰胺介導(dǎo)的植物防御機(jī)制模型

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

從實(shí)驗(yàn)室到農(nóng)田的“綠色守護(hù)”

實(shí)驗(yàn)室里的發(fā)現(xiàn)固然重要，但最終也要經(jīng)得起農(nóng)田的檢驗(yàn)。

于是，團(tuán)隊(duì)帶著芥酸酰胺溶液來到了田間地頭。他們做了一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)：分別用芥酸酰胺溶液浸泡植物根部，對(duì)比市場上常用的銅制劑農(nóng)藥處理，還有一組不做任何處理。結(jié)果非常顯著，未處理的番茄幾乎全部枯萎，而用芥酸酰胺處理的番茄存活率超過了85%，與銅制劑處理組不相上下。

更讓人驚喜的是它的“速效性”。在一片感染了水稻白葉枯病的田里，團(tuán)隊(duì)直接把芥酸酰胺溶液噴灑在病葉上，6小時(shí)后取樣觀察，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的“注射器”幾乎全部失效，原本蔓延的病斑也停止了擴(kuò)張。就像給植物披上了一層隱形鎧甲，細(xì)菌再兇也攻不進(jìn)來。

除了上述的強(qiáng)大功效，和傳統(tǒng)農(nóng)藥比，芥酸酰胺的優(yōu)勢(shì)還不止于此。

一是超乎想象的穩(wěn)定性：在40℃的高溫、90%的濕度下存放一周，芥酸酰胺的活性幾乎沒變化；而銅制劑遇水容易分解，抗生素則怕強(qiáng)光。這意味著它在南方濕熱的大棚里，或是北方干旱的田地里，都能穩(wěn)定發(fā)揮作用。二是顯著的成本優(yōu)勢(shì)：每畝地只需要幾克芥酸酰胺，折算下來成本只有幾塊錢，比銅制劑便宜一半，更遠(yuǎn)低于抗生素的成本。三是環(huán)境友好性：它對(duì)環(huán)境完全無害，不會(huì)像銅制劑那樣在土壤里積累，也不會(huì)讓細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性。

在浙江的水稻田里，農(nóng)民們對(duì)這個(gè)“新武器”贊不絕口?！耙郧芭_(tái)風(fēng)過后，白葉枯病一來，畝產(chǎn)至少降三成?，F(xiàn)在噴上這個(gè)‘新農(nóng)藥’，幾天就能穩(wěn)住，稻子照樣長得好?！币晃环N了20年水稻的老農(nóng)說。

讓作物變身“抗病衛(wèi)士”

芥酸酰胺的發(fā)現(xiàn)，不僅帶來了一種新型綠色農(nóng)藥，更打開了一扇“讓作物自己抗病”的大門。

團(tuán)隊(duì)想到了一個(gè)更徹底的辦法：通過基因編輯技術(shù)，讓作物自己合成更多的芥酸酰胺。就像給植物裝上武器制造廠，讓它隨時(shí)能生產(chǎn)細(xì)菌拆解器，從被動(dòng)防御變成主動(dòng)出擊。

這個(gè)想法很快在水稻上得到了驗(yàn)證?？茖W(xué)家們編輯了水稻中調(diào)控芥酸酰胺合成的基因，讓水稻葉片中的芥酸酰胺含量提高了3倍。在接種白葉枯病菌后，這些“基因編輯稻”的發(fā)病面積比普通水稻減少了70%，且生長發(fā)育完全正常。

芥酸酰胺在獼猴桃上的應(yīng)用前景更令人興奮。獼猴桃潰瘍病常常被認(rèn)為“無藥可治”，一旦發(fā)病只能砍樹?？茖W(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里測試發(fā)現(xiàn)，葉片中芥酸酰胺含量高的獼猴桃品種，對(duì)潰瘍病的抵抗力明顯更強(qiáng)。未來通過基因編輯，或許能讓獼猴桃獲得抵御這種絕癥的能力。

按照?qǐng)F(tuán)隊(duì)的規(guī)劃，未來將有兩條應(yīng)用路徑：對(duì)于水稻、小麥等主糧作物，通過基因編輯培育“免疫增強(qiáng)型”品種，實(shí)現(xiàn)抵御細(xì)菌性病害的長效防控；對(duì)于番茄、辣椒等果蔬，既可以在苗期用芥酸酰胺溶液浸泡根系，也可以在發(fā)病期直接噴灑，靈活應(yīng)對(duì)不同場景。

歷經(jīng)15年的科學(xué)啟示

這個(gè)研究聽起來似乎并不復(fù)雜，但歷時(shí)整整15年，回顧這15年的研究，科學(xué)家們感慨萬千。

跨學(xué)科的信任與協(xié)作成為破解科學(xué)難題的關(guān)鍵。團(tuán)隊(duì)成員有的懂植物免疫，知道“細(xì)菌的弱點(diǎn)在哪里”；有的懂化學(xué)分離，知道“如何找到攻擊弱點(diǎn)的武器”。就像生物學(xué)搭建了“戰(zhàn)場地圖”，化學(xué)提供了“精準(zhǔn)彈藥”，最終打贏了這場“微生物戰(zhàn)爭”。

業(yè)內(nèi)專家評(píng)價(jià)這項(xiàng)成果稱，這是植物免疫領(lǐng)域令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)，它告訴我們，自然界早已為人類準(zhǔn)備好了答案，我們只需要有足夠的耐心和智慧去尋找。

如今，這項(xiàng)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》雜志上，芥酸酰胺的分子結(jié)構(gòu)和作用機(jī)制被清晰地呈現(xiàn)給世界。但對(duì)團(tuán)隊(duì)來說，這不是終點(diǎn)，而是新的起點(diǎn)——他們正在篩選更多植物中的“細(xì)菌拆解器”，希望能找到對(duì)付不同病原菌的“專屬武器”。

在獼猴桃園里，曾經(jīng)因潰瘍病撂荒的土地上，新栽的樹苗已經(jīng)抽出了嫩綠的枝條。或許在不久的將來，這些樹苗會(huì)成為能自己合成芥酸酰胺的“抗病超人”，再也不用擔(dān)心細(xì)菌的侵襲。而在更廣闊的田野上，一場由植物“自產(chǎn)藥”引發(fā)的農(nóng)業(yè)革命，正在悄然拉開序幕。

人類與自然的相處之道，從來不是征服，而是學(xué)習(xí)。當(dāng)我們學(xué)會(huì)從植物身上汲取智慧，農(nóng)業(yè)才能實(shí)現(xiàn)高效與可持續(xù)的平衡。

參考文獻(xiàn)：

[1]Miao, Pei, et al. “A widespread plant defense compound disarms bacterial type III injectisome assembly.” Science 387.6737 (2025): eads0377.

出品：科普中國

作者：花茶（青島農(nóng)業(yè)大學(xué)）

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