10月29日，《自然》在线发表了一项重磅研究，为全球粮食安全带来突破性希望。此研究由中国农业科学院深圳农业基因组研究所黄三文院士团队领衔，联合南京农业大学董莎萌教授团队、加州大学戴维斯分校等多家单位，提出了一种被称为"插件式"抗病基因工程的新策略，有望帮助马铃薯永久摆脱被称为"植物黑死病"的晚疫病威胁。

一场持续两个世纪的对抗

19世纪中，一种名为晚疫病的病害席卷爱尔兰，导致马铃薯绝收，上百万人死亡，这就是著名的"爱尔兰大饥荒"。这场灾难的元凶，是一种叫做"致病疫霉"微生物。它像真菌一样扩散，能在几天内让整片马铃薯田腐烂。

直到今天，晚疫病仍然是全球马铃薯种植业的头号敌人，被列入我国《一类农作物病虫害名录》，是严重威胁粮食安全的八大病害之一。

科学家们发现，马铃薯自身有一套免疫系统，其中最关键的部分是NLR蛋白，可以把它理解为植物细胞内的"哨兵"。当病原体入侵时，这些哨兵能识别敌人并启动防御反应。问题是，致病疫霉非常狡猾，它能通过不断变异来逃脱哨兵的识别。过去几十年，科学家从野生马铃薯中找到了多个抗病基因，但大多在投入使用后几年内就被病原体"破解"。这就是晚疫病之所以这么难以防控。

绘制马铃薯"免疫基因地图"

为了打破这个僵局，黄三文团队做了一件前所未有的工作：他们对整个马铃薯家族的免疫系统进行了一次全面"普查"。

研究人员收集了52种野生和栽培马铃薯，包括7种新测序的高抗晚疫病野生种，绘制出了包含39211个NLR基因的完整图谱，他们称之为"马铃薯NLR组"。这就像是为马铃薯建立了一个庞大的"免疫基因库"。

通过分析，他们发现这些免疫基因可以分为两大类：

Ⅰ型NLR：数量多、变异快，主要负责识别不断变化的病原体，像是前线侦察兵。

Ⅱ型NLR：数量少、很稳定，负责传递警报信号，像是后方指挥中心。

马铃薯NLRome中Type I和Type II两类抗病基因的演化特征

这种分工明确的免疫体系，让马铃薯能在与病原体的长期博弈中保持竞争力。

发现新型抗病基因

在这个庞大的基因库中，研究人员展开了"寻宝"工作。

他们首先从一种名为心叶茄的野生马铃薯中，找到了一个名为"Rpi - cph1"的抗病基因。实验显示，将这种基因转入易感病的马铃薯品种后，能有效抵抗多种晚疫病菌株。

更令人兴奋的是，他们通过"种间全基因组关联分析"法，在野生种卡哈马卡茄中发现了一个全新的抗病基因Rpi - cjm1。与以往发现的所有马铃薯抗病基因不同，这是一个名为 “TIR - NLR” 的新型抗病基因，此类基因此前在马铃薯对抗晚疫病的“军火库”中尚未被发现。它通过产生特殊的小分子信号来激活植物免疫，像点燃了烽火台一样传递警报。

"插件式"免疫工程：给哨兵配备新武器

这项研究最突破性的发现，是关于一种叫做HMA结构域的特殊组件，就像一个精密的"分子锁"。

研究人员发现，野生马铃薯中有一个名为Rpi - brk1的抗病基因，它的末端带有一个HMA"分子锁"。当晚疫病菌试图入侵时，会分泌一种名为 AVRbrk1 的“钥匙蛋白”。一旦"钥匙"插入"锁"中，就会立即触发植物的免疫反应。

如何利用这个发现呢？

研究团队进行了一项精妙的"基因手术"：他们移取"分子锁"最关键的HMA结构域，也就是那段特定的基因代码，将这个代码插入到另一个广泛使用但已被部分病原体破解的抗病基因 R1 的代码序列中。

结果令人振奋，改造后的 R1 - HMA融合基因 不仅保留了原来识别病原体的能力，还新增了识别 AVRbrk1 信号的能力！这就好比给一个哨兵配发了一把多功能步枪，既能应对原来的威胁，又能打击新的敌人。

从实验室走向田间

这项研究的应用前景极为广阔。通过这种"插件式"策略，科学家未来可以：

设计广谱抗病品种：将多个不同的识别模块接入一个抗病基因，培育出能识别多种病原体的"超级马铃薯"。

实现精准育种：利用最新的基因编辑技术，在优良品种中直接插入功能结构域。

延长抗病寿命：通过叠加多个识别模块，让病原体难以通过单一突变逃脱识别。

“Plug-in”抗病育种策略提高马铃薯晚疫病抗性

未来，我们可能像安装手机APP一样，为作物定制所需的抗病功能。

随着全球气候变暖，作物病害威胁日益严重。这项来自中国科学家团队的创新研究，不仅为马铃薯晚疫病的防控提供了全新解决方案，也为整个作物抗病育种领域开辟了一条充满希望的崭新道路。

编辑：吴欧

论文信息

发布期刊Nature

发布时间2025年10月29日

论文标题 Plug - in strategy for resistance engineering inspired by potato NLRome

(DOI：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09678-5）