你第一次聽說“柴繼杰”是什么時候？

是在施一公自傳《自我突圍》中初識這位大器晚成的“傳奇”弟子？

是2023年他摘得未來科技大獎？

還是更早些時候，因為一個叫“抗病小體”的新名詞？

那是2019年，柴繼杰和他彼時的研究合作伙伴周儉民發現了第一個“抗病小體”，長得像一朵紫金花，這被認為是植物免疫領域的里程碑事件。后來“抗病小體”就泛指植物為了抵御外來細菌、病毒入侵，在細胞內部形成的一些特殊的寡聚化蛋白結構。

此后，柴繼杰和他的團隊繼續行進在探索并揭示植物多種類型的免疫模式的路途上，更多的“抗病小體”涌現了出來——

北京時間2025年2月12日晚24點，西湖大學未來產業研究中心、生命科學學院柴繼杰團隊在《自然》發表了表題為“Balanced plant helper NLR activation by a modified host protein complex”的最新研究論文。該成果提出了TNL類抗病蛋白產生的免疫信號分子，ADPr-ATP，作為“危險信號”使EDS1-SAG101復合物構象發生變化，進而來激活下游輔助蛋白NRG1A的免疫應答機制；首次解釋了植物NLR被非效應蛋白激活的分子機制；也揭示了NRG1C蛋白通過競爭結合了“危險信號”的EDS1-SAG101來負調控輔助蛋白NRG1A介導的免疫反應的負調控機制。

換句話說，這支常年扎根植物免疫的團隊，進一步發現了其中一類免疫蛋白的詳細“護衛”原理，向我們揭示了植物如何“聰明”地在抵抗病菌的同時保持自身健康成長。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08521-7

植物，是大自然饋贈的瑰寶，給其他生命提供了庇護、氧氣與食物，維系天地間的生態平衡。

就像動物會生病，植物也會遭受病原微生物的侵害，但植物并非被動受害，在長期與病原菌斗爭的進化過程中，它們已形成了復雜且精細調控的免疫網絡，來抵御多種病原微生物。

一邊是默默發展演化了億萬年的“植物大戰病菌”，一邊是對此知之甚少的人類社會。盡管植物病理學和植物保護已經有較長的歷史，受限于植物免疫復雜多樣的機制及科學技術發展水平，直到近二三十年，科學家們才開始得以踏入這片神秘的領域，走近不語的植物。

如今我們得以知道，植物身上有兩道能抗衡外部“金戈鐵馬”的“長城”。

第一道“廣撒網”PRRs（膜表面識別受體）防線位于植物細胞膜上，它能識別病原菌的保守模式分子，且反應具有廣譜性，可防御大多數病原體的侵染。

第二道“精準釣”NLRs（核苷酸結合和富含亮氨酸重復受體）防線位于植物細胞內，NLR抗病蛋白，可以特異性地識別入侵細胞內的病原體分泌的效應蛋白，啟動一系列更為強烈的免疫反應（比如產生被侵染部位的局部細胞死亡），進而消滅病原體；大多數的植物抗病蛋白為NLR型抗病蛋白。

2004年，柴繼杰結束了普林斯頓大學的博士后工作，加入了剛剛組建的北京生命研究所，開始帶領他的團隊聚焦于動植物免疫抗病蛋白。在植物“廣撒網”免疫防線取得重大突破（解析了第一個植物模式識別受體FLS2與模式分子鞭毛蛋白flg22及其共受體BAK1的復合物機構）之后，他們將目光聚焦于植物“精準釣”這道免疫防線；所取得的代表性發現，即第一個抗病小體，也屬于這道防線。

今天大家讀到的這則柴繼杰團隊的最新成果中，同樣涉及到“抗病小體”之“花”，同樣“開”在植物細胞內。區別在于，NLR蛋白根據N端不同，可以分為CNL和TNL兩類。2019年，柴繼杰團隊發現的“抗病小體”屬于CNL蛋白，這一次，他們觀測的是TNL蛋白。確切地說，是存在于雙子葉植物中的一條由TNL蛋白“啟動”的通路：這條“入侵報警、護衛出動”的路線順利走完，會引起植物受細菌、病毒侵染部位“自殺”以限制這些病原微生物的進一步擴增。

雙子葉植物是什么概念呢？通常，植物種子上的葉片數有一片或者兩片，一片的稱為單子葉植物，兩片的稱為雙子葉植物——大豆、花生、番茄、辣椒、西瓜、向日葵等重要農作物都屬于雙子葉植物。

現在，讓我們“蜷縮”在雙子葉植物細胞內，像看電影一樣觀看這個過程（其中涉及的專業名詞后文都會再次出現）——

一批細菌和病毒突破了植物第一道“廣撒網”防線，殺入了細胞內。

隸屬于第二道防線的TNL類抗病蛋白，在感知到病原微生物之后，聚合成一個個的四片花瓣狀的、四聚化的“抗病小體”。

這些抗病小體就像古時候負責點燃烽火臺的衛兵，一系列免疫信號分子由此產生，包括 pRib-AMP/ADP、ADPr-ATP 和 di-ADPR。

下一步，這些不同的信號分子會召集來不同類型的EDS1蛋白質，結合為“小軍團”。ADPr-ATP 和 di-ADPR作為雙子葉植物中一類重要的信號分子，能夠“召喚”出EDS1-SAG101蛋白質，與之結合形成復合物。

這個復合體，會進一步“召集”免疫“助手”，即輔助蛋白NRG1。輔助蛋白會繼續加入到“小軍團”，“各路人馬”由此形成了包含了ADPr-ATP/di-ADPR，EDS1-SAG101以及NRG1的新單元。

這個單元還會進一步“招兵買馬”，最終形成具有鈣離子通道活性的“抗病小體”，實現植物被病菌侵染部位的組織壞死（又稱“超敏反應”）。

NRG1家族蛋白調控植物免疫與生長平衡的分子機制

理解起來并不復雜，對不對？

但其實，這場“沒有硝煙的戰爭”充滿著未解之謎：在信號分子與EDS1蛋白質結合之后，它們是如何能“召喚”并激活“助手”NRG1蛋白的？最后的“抗病小體”怎么成型的？這條通路如何保證不會過度免疫，不對植物造成過度傷害、導致植株矮小甚至死亡？

這一次，柴繼杰團隊與合作者們正是“觀測”清楚了這個過程的具體機理，揭開了這些“怎么做到”問題的謎底——

研究發現，在受病原菌刺激激活后，雙子葉植物體內數量眾多的TNL蛋白所產生的信號分子ADPr-ATP和di-ADPR，會結合到原本處于抑制狀態的EDS1-SAG101二元復合物上，這會使EDS1-SAG101復合物的結構發生變化。

接著，這個變化會被下游的“助手”、輔助蛋白NRG1所感應。這類蛋白有NRG1A、NRG1B、NRG1C三種，因此會形成EDS1-SAG101-NRG1A/B/C三種復合物。

其中，如果形成的是EDS1-SAG101-NRG1A或EDS1-SAG101-NRG1B復合物，它們會和同類的復合物（即其他已形成的EDS1-SAG101-NRG1A或EDS1-SAG101-NRG1B）一個一個聚集在一起，“花瓣”加“花瓣”地“組裝”（即寡聚化），形成NRG1A/B抗病小體。這個小體會附著到植物的細胞質膜或其他的植物細胞內膜上，作為鈣離子通道，激活下游的免疫反應。

細心的讀者或許會問，剩下的NRG1C呢？這一次最有意思的發現，正與它有關。植物遺傳學及生物化學實驗揭示，NRG1C蛋白負責下調免疫“強度”，也就是抑制過度免疫。這是怎么辦到的？

原來，它的結構與NRG1A和NRG1B不同（其有一個不完整的NOD結構域），因而無法進一步拼成“抗病小體”。但是，妙就妙在，對于上一步生成的復合體（即結合了“信號”ADPr-ATP或di-ADPR的EDS1-SAG101蛋白）來說，NRG1C擁有更高的親和力，可以與NRG1A/B競爭。想象一下，眼前有100個已被激活、可以加入的免疫“小軍團”，當NRG1C一馬當先地與其中90個發生結合，留給NRG1A和NRG1B的也只剩10個團了。

由此，植物不會因為持續地免疫而使自身矮小，也就達成了免疫調控，植物得以維持免疫與生長的平衡。

當然，以上過程是研究內容與經歷的極致濃縮。現實中，這個課題歷時三年，觀測了植物免疫相關的林林總總的重要分子、蛋白質的結構形態及其變化，再以生化實驗為“鏡”驗證了得出的結論。

這些看似“手到擒來”研究發現背后，自然是師生們的漫長積累。

植物免疫是這樣環環相扣的一個領域，嚴絲合縫，需要循序漸進。柴繼杰近20年潛心植物免疫的故事自不必多說（查看過往報道：從造紙廠走出的頂尖科學家｜西湖大學柴繼杰獲未來科學大獎），就以本研究第一作者之一的西湖大學博士后黃詩嘉為例，2017年，她當時在柴繼杰清華大學的實驗室做畢業設計，初次接觸到這個領域的課題。之后，就一頭扎入這個神秘的植物世界，“接力”團隊中前輩們的研究發現，穩扎穩打做了七八年，才沿著TNL蛋白信號通路一路向前，“走”到了今天。

或許有點像游戲？打通上一關，才能打開新的版圖，進入下一關。

這其中，自然有想不到的“撓頭時分”。這次研究的前半場，即結構解析，進行得非常順利，但卻一度在后半場的生化驗證上卡住了：生化實驗所需的NRG1A蛋白量特別大，可這種蛋白卻很難表達。然而“上帝關上一扇窗”，必然會打開一扇門，黃詩嘉笑著回憶說：“因為太難了，我就去做了相較容易的NRG1C，發現結合能力很強，這才意外發現了抑制機制。”所以，堅持很重要。

而你可以預見，師生們面前的下一關自然也已經開啟。柴繼杰團隊還想知道這條通路上更多的“然后”：最后形成的抗病小體，到底是不是一朵“五瓣花”？這個小體作為鈣離子通道發揮功用時，是整個復合體一起附著在膜上，還是會發生“解體”？

最后的最后，你可能還想問，我們了解植物如何保護自己有什么意義？驅動科研工作人員孜孜不倦的動力之一，是讓人類可以活得更好。免疫關乎著植物健康，這些發現為我們防治植物病蟲害提供了詳細靶標和專業依據。我們可以據此進行更精細化的調控，包括在關乎人類福祉的糧食生產領域，開發出具有更高抗病能力、更高產穩產的優質農作物，進一步緩解糧食危機。

所以，讓我們耐心目送科學家們繼續前進，靜待下一次的花開時刻！

西湖大學生命科學學院講席教授柴繼杰及德國馬普研究所Jane E. Parker教授為論文共同通訊作者。西湖大學生命科學學院博士后黃詩嘉、德國馬普研究所博士后王俊麗、清華大學2022 級博士生宋日丹和河南農業大學賈奧琳教授為論文共同第一作者。中科院植物所肖裕研究員、西湖大學訪問學者孫玥博士、西湖大學 2024 級博士生王琳、西湖大學韓志富研究員、德國馬普研究所博士生Dennis Mahr、不列顛哥倫比亞大學吳忠壽博士和李昕教授等也為該研究做出了重要貢獻。北京大學現代農業研究院冷凍電鏡平臺的趙珺博士對冷凍電鏡數據收集給予了大力指導和幫助，上海同步輻射光源為本研究提供了設備和技術支持。該研究得到科技部重點研發項目及國家自然科學基金的支持，西湖大學未來產業研究中心的資助；同時得到了西湖大學高性能計算中心、冷凍電鏡平臺和晶體學平臺的大力支持。