植物利用免疫受体感知病原体相关分子模式(PAMP)，从而触发免疫信号。然而，在信号转导成功后，植物如何阻止病原体进展，在很大程度上仍是一个谜。植物在应对病原体感染时会产生多种次生代谢物，称为植物抗毒素。各种植物抗毒素都表现出很强的谱系特异性，被认为通过生长抑制或毒性作用于微生物。是否有任何植物抗毒素通过针对病原体的特殊毒力机制来保护植物，这一点尚未得到很好的研究。例如，许多革兰氏阴性细菌病原体利用 III 型分泌系统(T3SS)，一种多蛋白注射体，将毒力蛋白递送到动物和植物宿主细胞中以进行致病。已知免疫激活的植物具有抑制细菌 T3SS 的活性，尽管这种活性的性质和潜在机制仍然未知。这种免疫诱导的抗 T3SS 活性可作为研究植物中潜在抗毒力植物抗毒素的模型。

目前，植物细菌性病害的防控工作面临严峻挑战：其一，病原菌耐药性的快速进化使得传统农药的防治效果显著下降；其二，致病菌的持续变异对新型农药研发提出了更高的技术要求，现有防治体系的有效性正面临前所未有的考验。在此背景下，深入研究植物自身的抗病机制及其化学防御策略，对于开发环境友好型新型农药、构建可持续的病害防控体系具有重要的理论和实践意义。这一研究方向不仅有助于降低细菌性病害的危害程度，更为农业生产的绿色转型提供了新的突破口。

图1. 鉴定芥酸酰胺为P. syringae T3SS的抑制剂

（图片来源：Science）

北大雷晓光团队长期致力于机理导向的、且具有转化前景的天然产物化学生物学研究。在过去的两年内，他们在利用天然产物治疗人类重大疾病、发现具有重要生理和病理意义的人体内源天然产物分子，以及揭示重要天然药物分子生物合成途径等多个研究方向上取得了开拓性的研究成果，相关工作陆续发表在Science 2023, 381, eadd5787；Cell 2024, 187, 7164；Science 2024, 386, eadl0799；Science 2024, 383, 622。

崖州湾国家实验室周俭民团队长期聚焦植物天然免疫，着重关注植物识别不同微生物并激活免疫反应的分子机理以及病原菌分泌的致病蛋白对宿主细胞的生化功能的影响。其近期工作揭示了一系列的病原-宿主相互作用的机理（Cell 2023, 186, 2656-2671；Plant Cell 2023, 35, 2413-2428. Nature Plants 2022, 8, 1160-1175. Cell 2021, 184, 3528-2541）。

围绕"发现具有独特作用机制的植物内源抗病天然产物"这一关键科学问题，自2015年起，雷晓光团队与中国科学院遗传发育所/崖州湾国家实验室的周俭民团队展开了深入的合作研究。这一跨学科合作充分发挥了双方的优势：雷晓光团队在活性天然产物的发现、合成及靶标鉴定等化学生物学研究领域具有深厚积累，而周俭民团队则在植物天然免疫机制研究方面拥有丰富的经验。基于这一强强联合，合作团队于2020年在《Cell Host & Microbe》期刊上发表了突破性研究成果，首次揭示了植物通过产生异硫氰酸酯类天然产物分子Sulforaphane（SFN）特异性抑制植物病原菌III型分泌系统的分子机制。这一重要发现为后续研究奠定了坚实基础。在此基础上，合作团队持续深耕植物抗病天然产物领域，成功鉴定出一类具有全新作用机制的抗病天然产物，为植物免疫研究开辟了新的方向。

作者认为免疫激活的植物会积累抑制细菌 T3SS 的代谢物。这些知识不仅会为理解植物免疫系统增加新的维度，而且还会为生物农药的未来发展提供启示。作者着手鉴定可在体外抑制细菌 T3SS 的植物代谢物，确定此类代谢物的生物学重要性，并阐明 T3SS 抑制的潜在机制。作者发现拟南芥叶粗提取物通过 T3SS 抑制丁香假单胞菌效应物分泌。活性引导纯化确定芥酸酰胺是一种广谱抑制剂，可抑制植物和动物多种细菌病原体 T3SS 分泌。发现芥酸酰胺是双子叶和单子叶植物物种的谱系非特异性植物抗毒素，由 PAMP 诱导，并被毒性丁香假单胞菌 DC3000 抑制。在生理浓度与免疫激活的拟南芥植物中测定的浓度相当的情况下，外源施用的芥酸酰胺可强烈保护植物免受 DC3000 的侵害。途径分析表明，3-酮脂酰辅酶 A 合酶 (KCS) 是芥酸酰胺合成所必需的，脂肪酸酰胺羟化酶 (FAAH) 可降解拟南芥中的芥酸酰胺。拟南芥 kcs 突变体和 FAAH-OE 系在免疫诱导的芥酸酰胺积累方面受到显著损害，这些植物在通常由 PAMP 诱导的抗菌免疫方面受到严重损害。向这些植物外源施用芥酸酰胺可恢复其抗菌免疫力。相反，faah 突变体积累了更多的芥酸酰胺并表现出显著增强的抗菌免疫力。对 P. syringae 蛋白质的分析确定了 HrcC 是芥酸酰胺的靶标，HrcC 是一种对注射体组装至关重要的外膜环结构蛋白。AlphaFold 预测、分子对接、分子动力学模拟和定点诱变确定了一个芥酸酰胺结合位点，该位点由五个氨基酸残基组成，这些氨基酸残基在不同细菌物种的 HrcC 中高度保守。还确定了 HrcC 中的一个突变，该突变消除了芥酸酰胺结合并使细菌对芥酸酰胺不敏感，这与 T3SS 分泌和对不同芥酸酰胺积累水平的植物的毒性有关。此外，芥酸酰胺类似物的结构-活性分析表明，酰胺基团、双键的位置和烷基链长在 T3SS 抑制活性中起着至关重要的作用。与芥酸酰胺不同，不抑制 T3SS 的类似物既不结合 HrcC，也不保护植物免受毒性细菌的侵害。

在本项突破性研究中，合作团队通过系统的分离、纯化和鉴定，发现了一种全新的植物抗病化合物——芥酸酰胺。与传统的植物抗病化合物相比，芥酸酰胺具有显著的特征：它不仅广泛存在于水稻、大豆等多种重要农作物中，而且能够在植物免疫激活后大量积累，展现出对多种病原细菌的广谱抗性。尤为重要的是，芥酸酰胺的作用机制突破了传统认知：不同于一般植物抗病化合物通过直接杀灭或抑制微生物生长的抗病方式，芥酸酰胺采用了一种更为精巧的策略——特异性解除病原细菌的"武器"系统。

研究发现，芥酸酰胺能够靶向破坏病原细菌的关键致病装置——三型分泌系统（Type III secretion system, T3SS）。T3SS是许多动植物病原细菌用于向宿主细胞分泌毒性效应蛋白的核心装置，对细菌致病性至关重要。通过遗传学实验，研究团队证实芥酸酰胺的积累是植物实现对病原细菌免疫的关键机制。进一步的研究揭示，芥酸酰胺与T3SS的重要组分HrcC蛋白特异性结合，干扰其在病原细菌外膜上的正确定位，从而有效抑制T3SS的组装，使病原细菌失去致病能力。

为深入解析芥酸酰胺的作用机制，作者综合运用了多种先进技术手段：通过合成大量芥酸酰胺衍生物并进行系统活性分析，确定了抗病活性分子的关键化学结构；结合化学蛋白质组学、生化实验、蛋白结构预测、分子对接及分子动力学模拟等方法，阐明了芥酸酰胺与HrcC蛋白的相互作用机制。值得注意的是，芥酸酰胺对水稻白叶枯病、番茄青枯病等多种重要作物细菌性病害均表现出显著的保护效果，显示出广阔的农业应用前景。

这一机制体现了“不战而屈人之兵”的创新抗菌策略，与传统抗生素药物相比具有显著优势：芥酸酰胺不直接杀灭细菌，而是选择性地降低病原菌的致病力。这种独特的作用模式不仅确保了更高的生物安全性，还显著减少了对环境的污染风险，同时有效规避了细菌耐药性的产生。这一重大科学发现为新型生物农药的研发开辟了全新路径，对推动绿色农业可持续发展具有重要的理论和实践意义。该研究不仅深化了人们对植物天然防御机制的理解，也为解决全球农业面临的病原菌抗药性问题提供了创新思路，标志着我国在植物免疫与绿色农药研究领域取得了重要突破。

芥酸酰胺通过抑制细菌三型分泌系统组装而产生广谱抗菌活性的工作模型

中国科学院遗传与发育生物学研究所已毕业研究生缪佩、北京大学已毕业研究生王海军及中国科学院遗传与发育生物学研究所副研究员王伟为论文的共同第一作者，北京大学雷晓光教授和中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室周俭民研究员为共同通讯作者。北京大学王继纵研究团队、上海交通大学姚玉峰教授团队等也参与了这项工作。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目和北京分子科学国家研究中心、北大-清华生命科学联合中心等机构的资助。