2026年7月24日，国际顶级期刊《科学》杂志在线发表了一项由中国科学院的遗传与发育生物学研究所高彩霞团队主导的重磅研究，该研究首次正式提出了“可编程植物合成免疫”这一创新性学术理念，为植物保护领域开辟了全新的研究方向。

这项工作的核心突破在于，通过深度融合人工智能辅助的蛋白质设计、模块化免疫受体工程以及植物体内定向进化技术，成功构建了一个全新的合成植物免疫受体（SPIR）设计平台。简而言之，该平台实现了对植物免疫受体的高度精准定制化设计，彻底突破了传统上依赖天然抗病基因资源挖掘的局限性。

这一突破性进展究竟意味着什么？它意味着当我们未来面对新发、突发性病害以及病原物的快速变异时，手中将掌握一条全新的技术路径。与以往相比，这条路径在应对速度上更快，在策略灵活性上也更强，为农业抗病提供了前所未有的解决方案。

植物病害对全球农业的危害究竟有多严重？据估算，每年因此造成的经济损失高达数千亿美元。长期以来，培育抗病品种始终是应对这一挑战的核心策略，而作物抗病育种又主要依赖于对植物抗病基因（R基因）的深入挖掘。绝大多数抗病基因编码的是NLR免疫受体，其作用机制是通过识别病原物分泌的效应蛋白来激活植物的免疫反应。然而，关键问题在于，植物基因组所能编码的免疫受体数量非常有限，而病原物却在持续不断地进化与变异，导致现有的抗病能力屡屡被突破。与此同时，发掘新型抗病基因的难度正变得越来越大，整个发掘过程也极其耗费时间和人力。如果能够针对各类病原体实现免疫受体的定制化设计，就能彻底摆脱对天然抗病基因资源的依赖，使植物快速获得对新发病害的抵抗力。然而，如何实现植物免疫受体的精准靶向设计，始终是相关领域亟待攻克的一项重大科学难题。

在传统认知中，植物NLR免疫受体主要依赖体积庞大的富亮氨酸重复（LRR）结构域来识别病原蛋白。但LRR结构域不仅尺寸大，而且序列高度重复，这给人工改造和设计带来了极大的困难。研究团队敏锐地注意到，有一类非典型的NLR免疫受体采取了一种截然不同的策略——它们通过体积更小、功能相对独立的整合诱饵（ID）结构域来直接识别病原蛋白。这种ID结构域展现出良好的模块化特征，由此引发了一个核心思考：我们能否通过人工设计ID结构域，来赋予植物免疫受体全新的病原识别能力？

近年来，人工智能驱动的蛋白质从头设计技术取得了突破性进展，这使得针对特定靶蛋白设计高亲和力结合蛋白成为可能。研究团队首先利用AlphaFold 3精准预测病原蛋白的三维立体结构，通过BindCraft完成结合蛋白的从头设计，再借助HelixFold 3进行预测与筛选，以获取结合能力强、稳定性高的候选结合蛋白。随后，他们将人工设计的结合蛋白替代天然的ID结构域，整合到水稻免疫受体Pikm-1中，成功构建出全新的合成免疫受体。这套标准化的SPIR设计流程，整个过程完全无需依赖已有的抗病基因资源，仅仅基于病原蛋白的结构信息即可开展人工定向设计，真正意义上实现了植物免疫受体的可编程精准定制。

在验证阶段，团队首先以马铃薯Y病毒（PVY）的衣壳蛋白作为靶标，设计了48个SPIR，其中11个能够精准识别PVY衣壳蛋白并激活免疫反应。在此基础上，他们进一步扩大了研究范围，针对13种重要植物病毒——包括乌干达木薯褐条纹病毒、番茄斑萎病毒、马铃薯X病毒、黄瓜绿斑驳花叶病毒等，以及细菌（如丁香假单胞菌、野油菜黄单胞菌）、真菌（如玉米黑粉菌）、卵菌（如大豆疫霉）等多种病原物的蛋白，完成了相应的SPIR设计。总计设计并测试了391个SPIR，其中71个能够特异性地识别对应病原蛋白并有效激活免疫反应，成功率达到了18.2%。这一成果首次用实验证明，借助人工智能辅助的蛋白质设计技术，完全可以实现植物免疫受体的从头创制。

当然，目前大部分由人工智能辅助设计的合成植物免疫受体仍存在一些问题，例如免疫活性不足或者出现自激活现象。为了进一步提升SPIR平台的综合性能，研究团队将其与团队前期开发的植物体内定向进化系统GRAPE（Science，2025，DOI:10.1126/science.ady2167）进行了有机结合。这一组合策略显著增强了SPIR对病原蛋白的免疫活性，同时有效降低了自激活水平，最终建立起一套完整的“设计—构建—测试—进化”闭环开发流程。后续研究表明，不同SPIR之间具有高度的识别特异性和正交性，并且通过基因叠加策略，可以同时实现对多种病原蛋白的识别。更为关键的是，实验证实，表达SPIR的转基因植物能够有效抵御相应病毒的侵染，这充分展示了SPIR技术在作物抗病遗传改良领域的实际应用潜力。

图：合成植物免疫受体（SPIR）的设计与验证

与传统抗病育种过度依赖天然抗病基因的挖掘与利用不同，SPIR平台首次实现了植物免疫受体的定制化设计与应用，赋予植物识别自然界中全新病原靶标蛋白的能力。依托这一强大技术平台，针对各类特异性病原蛋白，科研人员可以在短短数周内快速设计出对应的人工合成植物免疫受体，为高效应对新发、突发病害以及病原物变异提供了全新的解决路径。更为关键的是，“可编程植物合成免疫”这一核心理念，实现了植物免疫受体从“天然挖掘发现”到“人工精准设计”的范式转变，有力推动植物抗病育种从“利用自然”迈向“定向创制”的全新阶段。正如审稿人所评价的，这是植物免疫工程领域的一项重大进展，为在作物中开发持久、广谱的抗病性奠定了坚实基础。展望未来，随着人工智能、蛋白质设计与植物体内定向进化等前沿技术的深度融合，植物合成免疫受体有望完全实现按需设计与迭代优化，最终为作物抗病改良提供一套通用的全新解决方案。

相关论文信息：

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