Science：高彩霞團隊提出“可編程植物合成免疫”新理念，實現植物免疫受體按需設計

編輯丨王多魚

排版丨水成文

植物病害嚴重威脅全球農業生產和糧食安全，每年造成數千億美元的經濟損失。培育和推廣作物抗病品種是植物病害綠色防控的核心策略之一。

長期以來，作物抗病育種主要依賴植物抗病基因（Resistance gene，R 基因）的發掘與利用。大多數抗病基因編碼核苷酸結合富亮氨酸重復（NLR）免疫受體，通過識別病原物效應蛋白激活植物免疫反應。然而，植物基因組編碼的免疫受體數量有限，加之病原物持續進化變異，導致已有的作物抗病性不斷被攻破。同時，發掘新型抗病基因和免疫受體的難度持續攀升，且過程耗時耗力。因此，若能針對各類病原定制化設計免疫受體，即可擺脫天然抗病基因資源的桎梏，使植物快速獲得對新發病害的抗病能力。不過，精準靶向設計植物免疫受體始終是相關領域亟待攻克的重大科學難題。

2026 年 7 月 23 日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞團隊在國際頂尖學術期刊Science上以 First Release（首次在線發布）形式發表了題為：Programmable design of synthetic plant immune receptors for pathogen protein recognition 的研究論文。

該研究首次提出“可編程植物合成免疫”（Programmable Plant Synthetic Immunity）的新理念，通過整合 AI 輔助蛋白質設計、模塊化免疫受體工程和植物體內定向進化技術，建立了可編程的合成植物免疫受體（Synthetic Plant Immune Receptor，SPIR）設計平臺，實現了植物免疫受體的精準定制化設計。該成果突破了天然抗病基因資源的限制，為快速應對新發病害和病原物變異提供了全新的技術路線。

植物 NLR 免疫受體通常依賴富亮氨酸重復（LRR）結構域識別病原蛋白。然而，LRR 結構域龐大、序列高度重復，難以開展人工改造與設計。研究團隊注意到，一類非典型 NLR 免疫受體演化出了截然不同的識別策略——通過體積更小、功能相對獨立的整合誘餌（Integrated Decoy，ID）結構域，直接識別病原蛋白。鑒于 ID 結構域具備良好的模塊化特征，研究團隊提出設想：能否通過人工設計 ID 結構域，賦予植物免疫受體全新的病原識別能力？

近年來，人工智能（AI）驅動的蛋白質從頭設計取得一系列重要突破，使得針對特定靶蛋白設計高親和力結合蛋白（binder）成為可能。研究團隊首先利用 AlphaFold3 預測病原蛋白的三維結構，通過 BindCraft 完成結合蛋白（binder）的從頭設計，并借助 HelixFold3 預測篩選結合能力強和穩定性高的候選結合蛋白。研究團隊進一步以人工設計的結合蛋白替代天然 ID 結構域，將其整合到水稻免疫受體 Pikm-1 中，構建形成全新的合成免疫受體。研究團隊由此建立了一套標準化的合成植物免疫受體（Synthetic Plant Immune Receptor，SPIR）設計流程，整個設計過程無需依賴已有的抗病基因資源，僅基于病原蛋白的結構信息開展人工定向設計，實現了植物免疫受體的可編程精準定制化創制。

合成植物免疫受體（SPIR）設計流程

研究團隊首先以馬鈴薯 Y 病毒（PVY）衣殼蛋白為驗證靶標，設計了 48 個 SPIR，其中 11 個能夠特異性識別 PVY 衣殼蛋白并激活植物免疫反應。在此基礎上，研究團隊進一步針對 13 種重要植物病毒（含烏干達木薯褐條紋病毒、番茄斑萎病毒、馬鈴薯 X 病毒、黃瓜綠斑駁花葉病毒等），以及細菌（丁香假單胞菌、野油菜黃單胞菌）、真菌（玉米黑粉菌）、卵菌（大豆疫霉）等多種病原物的蛋白，完成了相應 SPIR 的設計。研究團隊共設計并測試了 391 個 SPIR，其中 71 個能夠特異地識別對應病原蛋白并有效激活植物免疫反應，成功率為 18.2%，首次證明了 AI 輔助的蛋白質設計技術能夠實現植物免疫受體的從頭創制。

SPIR 可特異性識別不同類型病原物來源的蛋白

然而，大部分 AI 輔助設計的合成植物免疫受體仍存在免疫活性不足或自激活等問題。為進一步提升 SPIR 平臺性能，研究團隊將其與團隊前期建立的植物體內定向進化系統GRAPE（）相結合，顯著增強了 SPIR 對病原蛋白的免疫活性，并有效降低了其自激活水平，最終建立了完整的植物合成免疫受體“設計-構建-測試-進化”開發流程。進一步研究表明，不同 SPIR 之間具有高度識別特異性和正交性，且可通過基因疊加策略同時識別多種病原蛋白。更為重要的是，實驗證實表達 SPIR 的轉基因植物能夠有效抵御相應病毒的侵染，展示了 SPIR 技術在作物抗病遺傳改良中的應用潛力。

GRAPE 系統實現對 SPIR 的優化

不同于傳統抗病育種對天然抗病基因的挖掘與利用，SPIR 平臺首次實現了植物免疫受體的定制化設計，賦予植物識別自然界全新病原靶標蛋白的能力。依托該技術平臺，可針對各類特異性病原蛋白，在數周內快速設計對應的人工合成植物免疫受體，為高效應對新發、突發病害和病原物變異提供了全新技術途徑。更為關鍵的是，這項工作提出的“可編程植物合成免疫”新理念，實現了植物免疫受體從“天然挖掘發現”向“人工精準設計”的范式轉變，推動植物抗病育種從“利用自然”邁向“定向創制”的新階段。正如審稿人所評價的，該工作是植物免疫工程領域的一項重大進展，為在作物中開發持久、廣譜的抗病性奠定了堅實基礎。未來，隨著人工智能、蛋白質設計與植物體內定向進化等前沿技術的深度融合，植物合成免疫受體有望完全實現按需設計與迭代優化，為作物抗病改良提供通用的全新解決方案。

合成植物免疫受體（SPIR）的設計與驗證

中國科學院遺傳與發育生物學研究所高彩霞研究員為論文通訊作者，中國科學院遺傳與發育生物學研究所博士后祝皓誠、博士后姜丹丹、碩士研究生張巧為論文共同第一作者。中國科學院微生物研究所邱金龍研究員、北京齊禾生科生物科技有限公司首席技術官趙天萌為研究提供了建設性的指導和意見。北京齊禾生科生物科技有限公司高級科學家張康參與了課題研究。中國農業科學院植物保護研究所周雪平研究員、南京農業大學陶小榮教授提供了重要實驗材料。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aee1792