Science | 高彩霞团队提出“可编程植物合成免疫”新理念，实现植物免疫受体按需设计

植物病害严重威胁全球农业生产和粮食安全，每年造成数千亿美元的经济损失。培育和推广作物抗病品种是植物病害绿色防控的核心策略之一。长期以来，作物抗病育种主要依赖植物抗病基因（Resistance gene，R基因）的发掘与利用。大多数抗病基因编码核苷酸结合富亮氨酸重复（NLR）免疫受体，通过识别病原物效应蛋白激活植物免疫反应。然而，植物基因组编码的免疫受体数量有限，加之病原物持续进化变异，导致已有的作物抗病性不断被攻破。同时，发掘新型抗病基因和免疫受体的难度持续攀升，且过程耗时耗力。因此，若能针对各类病原定制化设计免疫受体，即可摆脱天然抗病基因资源的桎梏，使植物快速获得对新发病害的抗病能力。不过，精准靶向设计植物免疫受体始终是相关领域亟待攻克的重大科学难题。

2026年7月24日，中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞团队在Science期刊上First Release（首次在线发布）形式在线发表了题为“Programmable design of synthetic plant immune receptors for pathogen protein recognition”的研究论文。研究团队首次提出“可编程植物合成免疫（Programmable Plant Synthetic Immunity）”的新理念，通过整合人工智能辅助蛋白质设计、模块化免疫受体工程和植物体内定向进化技术，建立了可编程的合成植物免疫受体（Synthetic Plant Immune Receptor，SPIR）设计平台，实现了植物免疫受体的精准定制化设计。该成果突破了天然抗病基因资源的限制，为快速应对新发病害和病原物变异提供了全新的技术路线。

植物NLR免疫受体通常依赖富亮氨酸重复（LRR）结构域识别病原蛋白。然而，LRR结构域庞大、序列高度重复，难以开展人工改造与设计。研究团队注意到，一类非典型NLR免疫受体演化出了截然不同的识别策略——通过体积更小、功能相对独立的整合诱饵（Integrated Decoy，ID）结构域，直接识别病原蛋白。鉴于ID结构域具备良好的模块化特征，研究团队提出设想：能否通过人工设计ID结构域，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取得一系列重要突破，使得针对特定靶蛋白设计高亲和力结合蛋白（binder）成为可能。研究首先利用AlphaFold 3预测病原蛋白的三维结构，通过BindCraft完成结合蛋白（binder）的从头设计，并借助HelixFold 3预测筛选结合能力强和稳定性高的候选结合蛋白。研究团队进一步以人工设计的结合蛋白替代天然ID结构域，将其整合到水稻免疫受体Pikm-1中，构建形成全新的合成免疫受体。研究由此建立了一套标准化的SPIR设计流程，整个设计过程无需依赖已有的抗病基因资源，仅基于病原蛋白的结构信息开展人工定向设计，实现了植物免疫受体的可编程精准定制化创制。

研究团队首先以马铃薯Y病毒（PVY）衣壳蛋白为验证靶标，设计了48个SPIR，其中11个能够特异性识别PVY衣壳蛋白并激活植物免疫反应。在此基础上，团队进一步针对13种重要植物病毒（含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（丁香假单胞菌、野油菜黄单胞菌）、真菌（玉米黑粉菌）、卵菌（大豆疫霉）等多种病原物的蛋白，完成了相应SPIR的设计。研究团队共设计并测试了391个SPIR，其中71个能够特异地识别对应病原蛋白并有效激活植物免疫反应，成功率为18.2%，首次证明人工智能辅助的蛋白质设计技术能够实现植物免疫受体的从头创制。

然而，大部分人工智能辅助设计的合成植物免疫受体仍存在免疫活性不足或自激活等问题。为进一步提升SPIR平台性能，研究团队将其与团队前期建立的植物体内定向进化系统GRAPE（详见BioArt报道：）相结合，显著增强了SPIR对病原蛋白的免疫活性，并有效降低了其自激活水平，最终建立了完整的植物合成免疫受体“设计—构建—测试—进化”开发流程。进一步研究表明，不同SPIR之间具有高度识别特异性和正交性，且可通过基因叠加策略同时识别多种病原蛋白。更为重要的是，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，展示了SPIR技术在作物抗病遗传改良中的应用潜力。

不同于传统抗病育种对天然抗病基因的挖掘与利用，SPIR平台首次实现了植物免疫受体的定制化设计，赋予植物识别自然界全新病原靶标蛋白的能力。依托该技术平台，可针对各类特异性病原蛋白，在数周内快速设计对应的人工合成植物免疫受体，为高效应对新发、突发病害和病原物变异提供了全新技术途径。更为关键的是，这项工作提出的“可编程植物合成免疫”新理念，实现了植物免疫受体从“天然挖掘发现”向“人工精准设计”的范式转变，推动植物抗病育种从“利用自然”迈向“定向创制”的新阶段。正如审稿人所评价的，该工作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。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，为作物抗病改良提供通用的全新解决方案。

合成植物免疫受体（SPIR）的设计与验证

中国科学院遗传与发育生物学研究所高彩霞研究员为论文通讯作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后祝皓诚、博士后姜丹丹、硕士研究生张巧为论文共同第一作者。中国科学院微生物研究所邱金龙研究员、北京齐禾生科生物科技有限公司首席技术官赵天萌为研究提供了建设性的指导和意见。北京齐禾生科生物科技有限公司高级科学家张康参与了课题研究。中国农业科学院植物保护研究所周雪平研究员、南京农业大学陶小荣教授提供了重要实验材料。

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