植物細(xì)菌性病害是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)平衡的重大威脅之一。這類病害由病原細(xì)菌侵染植物組織引發(fā)，可導(dǎo)致葉斑、枯萎、腐爛等多種癥狀，嚴(yán)重時(shí)甚至造成農(nóng)作物大面積減產(chǎn)乃至絕收。這不僅直接威脅全球糧食安全，還會(huì)引發(fā)一系列連鎖反應(yīng)，包括經(jīng)濟(jì)損失、生態(tài)環(huán)境破壞等深遠(yuǎn)影響。

　　目前，植物細(xì)菌性病害的防控工作面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)：病原菌耐藥性的快速進(jìn)化使得傳統(tǒng)農(nóng)藥的防治效果顯著下降;致病菌的持續(xù)變異對(duì)新型農(nóng)藥研發(fā)提出了更高的技術(shù)要求，現(xiàn)有防治體系的有效性正面臨前所未有的考驗(yàn)。在此背景下，深入研究植物自身的抗病機(jī)制及其化學(xué)防御策略，對(duì)開發(fā)環(huán)境友好型新型農(nóng)藥、構(gòu)建可持續(xù)的病害防控體系具有重要的理論和實(shí)踐意義。這一研究方向不僅有助于降低細(xì)菌性病害的危害程度，更為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的綠色轉(zhuǎn)型提供了新的突破口。

　　2025年2月28日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院/北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心雷曉光教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所/崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室周儉民研究員團(tuán)隊(duì)在Science上發(fā)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(nèi)源存在的、具有作用機(jī)制獨(dú)特、廣譜抗菌活性的天然產(chǎn)物分子——芥酸酰胺。研究表明，芥酸酰胺通過(guò)特異性破壞植物病原細(xì)菌的三型分泌系統(tǒng)(T3SS)組裝，有效抑制其致病力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種細(xì)菌侵染的廣譜抑制作用。這一機(jī)制體現(xiàn)了“不戰(zhàn)而屈人之兵”的創(chuàng)新抗菌策略，與傳統(tǒng)抗生素藥物相比具有顯著優(yōu)勢(shì)：芥酸酰胺不直接殺滅細(xì)菌，而是選擇性地降低病原菌的致病力，這種獨(dú)特的作用模式不僅確保了更高的生物安全性，還顯著減少了對(duì)環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)有效規(guī)避了細(xì)菌耐藥性的產(chǎn)生。這一重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)為新型生物農(nóng)藥的研發(fā)開辟了全新路徑，對(duì)推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。

論文截圖

　　雷曉光團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于機(jī)理導(dǎo)向的、且具有轉(zhuǎn)化前景的天然產(chǎn)物化學(xué)生物學(xué)研究。在過(guò)去的兩年內(nèi)，他們?cè)诶锰烊划a(chǎn)物治療人類重大疾病、發(fā)現(xiàn)具有重要生理和病理意義的人體內(nèi)源天然產(chǎn)物分子，以及揭示重要天然藥物分子生物合成途徑等多個(gè)研究方向上取得了開拓性的研究成果，相關(guān)工作陸續(xù)發(fā)表在Science 2023, 381, eadd5787;Cell 2024, 187, 7164;Science 2024, 386, eadl0799;Science 2024, 383, 622。

　　圍繞“發(fā)現(xiàn)具有獨(dú)特作用機(jī)制的植物內(nèi)源抗病天然產(chǎn)物”這一關(guān)鍵科學(xué)問題，自2015年起，雷曉光團(tuán)隊(duì)與周儉民團(tuán)隊(duì)展開了深入的合作研究。這一跨學(xué)科合作充分發(fā)揮了雙方的優(yōu)勢(shì)：雷曉光團(tuán)隊(duì)在活性天然產(chǎn)物的發(fā)現(xiàn)、合成及靶標(biāo)鑒定等化學(xué)生物學(xué)研究領(lǐng)域具有深厚積累，而周儉民團(tuán)隊(duì)則在植物天然免疫機(jī)制研究方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)?；谶@一強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，合作團(tuán)隊(duì)于2020年在Cell Host & Microbe上發(fā)表了突破性研究成果，首次揭示了植物通過(guò)產(chǎn)生異硫氰酸酯類天然產(chǎn)物分子Sulforaphane(SFN)特異性抑制植物病原菌III型分泌系統(tǒng)的分子機(jī)制。這一重要發(fā)現(xiàn)為后續(xù)研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，合作團(tuán)隊(duì)持續(xù)深耕植物抗病天然產(chǎn)物領(lǐng)域，成功鑒定出一類具有全新作用機(jī)制的抗病天然產(chǎn)物，為植物免疫研究開辟了新的方向。

　　在該項(xiàng)突破性研究中，合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)的分離、純化和鑒定，發(fā)現(xiàn)了一種全新的植物抗病化合物——芥酸酰胺。與傳統(tǒng)的植物抗病化合物相比，芥酸酰胺具有顯著的特征：它不僅廣泛存在于水稻、大豆等多種重要農(nóng)作物中，而且能夠在植物免疫激活后大量積累，展現(xiàn)出對(duì)多種病原細(xì)菌的廣譜抗性。尤為重要的是，芥酸酰胺的作用機(jī)制突破了傳統(tǒng)認(rèn)知：不同于一般植物抗病化合物通過(guò)直接殺滅或抑制微生物生長(zhǎng)的抗病方式，芥酸酰胺采用了一種更為精巧的策略——特異性解除病原細(xì)菌的“武器”系統(tǒng)。

　　研究發(fā)現(xiàn)，芥酸酰胺能夠靶向破壞病原細(xì)菌的關(guān)鍵致病裝置——三型分泌系統(tǒng)(Type III secretion system, T3SS)。T3SS是許多動(dòng)植物病原細(xì)菌用于向宿主細(xì)胞分泌毒性效應(yīng)蛋白的核心裝置，對(duì)細(xì)菌致病性至關(guān)重要。通過(guò)遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)證實(shí)芥酸酰胺的積累是植物實(shí)現(xiàn)對(duì)病原細(xì)菌免疫的關(guān)鍵機(jī)制。進(jìn)一步的研究揭示，芥酸酰胺與T3SS的重要組分HrcC蛋白特異性結(jié)合，干擾其在病原細(xì)菌外膜上的正確定位，從而有效抑制T3SS的組裝，使病原細(xì)菌失去致病能力。

　　為深入解析芥酸酰胺的作用機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)綜合運(yùn)用了多種先進(jìn)技術(shù)手段：通過(guò)合成大量芥酸酰胺衍生物并進(jìn)行系統(tǒng)活性分析，確定了抗病活性分子的關(guān)鍵化學(xué)結(jié)構(gòu);結(jié)合化學(xué)蛋白質(zhì)組學(xué)、生化實(shí)驗(yàn)、蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)、分子對(duì)接及分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法，闡明了芥酸酰胺與HrcC蛋白的相互作用機(jī)制。值得注意的是，芥酸酰胺對(duì)水稻白葉枯病、番茄青枯病等多種重要作物細(xì)菌性病害均表現(xiàn)出顯著的保護(hù)效果，顯示出廣闊的農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景。

　　這項(xiàng)研究不僅突破了領(lǐng)域內(nèi)對(duì)植物抗性代謝物作用機(jī)制的傳統(tǒng)認(rèn)知，更為開發(fā)環(huán)境友好型生物農(nóng)藥和開展作物抗病分子育種提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，對(duì)推動(dòng)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

芥酸酰胺通過(guò)抑制細(xì)菌三型分泌系統(tǒng)組裝而產(chǎn)生廣譜抗菌活性的工作模型

　　中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所已畢業(yè)研究生繆佩、北京大學(xué)已畢業(yè)研究生王海軍及中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所副研究員王偉為論文的共同第一作者，雷曉光和周儉民為共同通訊作者。北京大學(xué)王繼縱研究團(tuán)隊(duì)、上海交通大學(xué)姚玉峰團(tuán)隊(duì)等也參與了這項(xiàng)工作。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目和北京分子科學(xué)國(guó)家研究中心、北大-清華生命科學(xué)聯(lián)合中心等機(jī)構(gòu)的資助。