是单打独斗还是彼此成就？上海科学家解答植物两大免疫系统关系的重要科学问题

解放日报•上观新闻报道：植物在与病原菌长期“博弈”的过程中，进化出了两层免疫系统。之前绝大多数研究将这两条免疫通路作为独立平行的免疫分支，而对两层免疫系统之间的关系一直以来并不清楚，这也是植物免疫领域尚待解决的重要科学问题之一。

2021年3月11日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心辛秀芳研究团队在国际权威学术期刊《自然》发表最新研究成果，解答了这一重要科学问题，揭示了植物两大类免疫通路并不是独立发挥功能，而是存在相互放大的协同作用，从而保障植物在应对病原菌的入侵时能够输出持久且强烈的免疫响应，为人们重新认识和理解植物免疫提供了重要理论依据。

辛秀芳（中）课题组

植物病害是人类生产生活和现代农业的一大挑战。在世界范围内，主要农作物都受到病虫害威胁，减产高达10%到30%。植物能够通过细胞膜表面的受体蛋白识别病原菌所携带的一些分子，从而激活植物的第一层免疫系统。作为对策，成功入侵的病原菌会向植物细胞内分泌一类毒性蛋白，反过来攻击植物的免疫系统。所谓“魔高一尺道高一丈”，植物会通过细胞内的另外一类受体蛋白感知这些毒性蛋白，触发植物的第二层免疫系统，从而激活更强烈的免疫反应来抵抗病原菌的攻击。

这两层免疫系统之间有何关系呢？是单打独斗还是彼此成就？辛秀芳团队研究发现在第一层免疫系统缺失的植物中，也很大程度丧失了由第二层免疫系统介导的植物抗病能力。这一现象表明植物的第一层免疫系统对于第二层免疫系统不可或缺。经过进一步科研攻关，他们发现第一层免疫系统对激活第二层免疫系统输出正常的免疫反应，尤其是在调控活性氧的产生方面起着重要作用。活性氧能够直接杀死病原菌，同时也会进一步激活免疫信号，该研究揭示了植物两层免疫系统通过精密的分工合作来实现活性氧的大量产生，二者缺一不可。这一精巧的合作机制能够保障植物在面临病原菌的侵染时，快速准确地输出足够的免疫响应，同时在植物面临不同微生物（如非致病或致病力弱的微生物）时，避免过度的免疫输出。

第一层免疫系统（PTI)和第二层免疫系统（ETI)协同“御敌”

有趣的是，这项研究还发现植物的第二层免疫系统可增强第一层免疫系统中核心蛋白组分的表达，来放大第一层免疫系统，从而诱导其更加持久的免疫输出。因此，这两大免疫系统相辅相成，为植物在应对病原菌入侵时激发强烈而持久的免疫反应提供了有力保障。

由各种病原微生物侵染导致的植物病害是自然生态系统和现代农业生产的一大危害，严重影响了全球粮食安全。该项研究成果不仅揭示了植物不同免疫系统间的亲密关系，建立了新的植物免疫系统架构模型，而且为后续通过整合植物双层免疫系统来培育持久抗病的农作物品种提供了新思路。

记者手记

最年轻的研究组长 最朴素的科研理想

年仅36岁的辛秀芳，是中国科学院分子植物科学卓越创新中心最年轻的研究组长。尽管成为独立的研究组长只有短短3年多，却带领团队在国际权威学术期刊《自然》发表了重要论文。 

“这一研究最大的创新在于，解答了植物免疫领域一直没有解决的重要科学问题之一，这一发现为植物育种提供了一个重要的候选靶点。”中国科学院分子植物科学卓越创新中心副主任龚继明说。

而这个科学求解的过程，也是一波三折。正如科研工作有着诸多不确定性，其实一开始并没有专门设计这个课题，但研究组发现了一个有趣的现象，即在第一层免疫系统缺失的植物中，也很大程度丧失了由第二层免疫系统介导的植物抗病能力。他们敏感地捕捉到了这一信息，决定集中攻关。然而，短时间的兴奋之后，是更长时间的郁闷，因为他们久久地找不到突破点。

对于科研人员来说，他们的使命是探索自然，但残酷的是，在不断地提出假设、做实验、修正假设、做实验的循环中，耗费几个月甚至更长时间之后无功而返，却是一种常态。如果其他实验室先行发表研究成果，则意味着不能重复发表。科研有时是一场马拉松，但有时又是一场百米跑。

“要尽可能地降低无功而返的可能性，就需要及时地修正假设。”辛秀芳告诉解放日报·上观新闻记者，破题的转机，往往也来自科研的不确定性，总是有些意外的发现让人跃跃欲试。这也正是科研有魅力的一面。

为何愿意做“寂寞的”基础研究？“探索未知，本身就是一件令人期待的事情。如果能成为世界上第一个发现某一科学现象的人，想想就让人激动。”

去年年底的中央经济工作会议罕见地提及“种子”问题，而植物研究从应用角度讲归根结底正是为种子服务。辛秀芳说，未来，她的一大愿望是做把个人对自然探索的兴趣与国家需求相结合的基础研究。

辛秀芳