開(kāi)辟作物廣譜抗病新途徑！清華大學(xué)與北京大學(xué)合作發(fā)表《細(xì)胞》

在與病原微生物的長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化中，植物構(gòu)建起多層次防御體系，化學(xué)防御是其中抵御入侵的關(guān)鍵防線。植保素是植物感知病原后快速合成的小分子抗微生物次生代謝物，可直接抑制、殺滅病原體，是植物化學(xué)防御的核心物質(zhì)。自植保素概念提出80余年來(lái)，多數(shù)植保素的生物合成途徑與調(diào)控機(jī)制仍未破解，嚴(yán)重限制其在作物抗病中的應(yīng)用。

德布尼醇（debneyol）是煙草等茄科植物特有的倍半萜類植保素，與經(jīng)典植保素辣椒醇（capsidiol）共享5-表-馬兜鈴烯（5-EA）前體，且具備更強(qiáng)的廣譜抗真菌活性。自1979年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，其完整生物合成通路近半世紀(jì)始終未被解析，成為植物防御領(lǐng)域的長(zhǎng)期難題。

2026年5月8日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉玉樂(lè)團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院雷曉光團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》（Cell）期刊在線發(fā)表題為“植保素介導(dǎo)植物化學(xué)防御的遺傳基礎(chǔ)（Genetic basis of phytoalexin-mediated chemical defense in plants）”的研究論文。清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院劉玉樂(lè)教授、北京大學(xué)雷曉光教授及其團(tuán)隊(duì)副研究員高磊博士（現(xiàn)為武漢大學(xué)藥學(xué)院教授）為本論文的共同通訊作者；清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院2020級(jí)博士研究生王占理、2022屆博士畢業(yè)生韓璐和武漢大學(xué)高磊教授為論文的共同第一作者。

該研究完整解析并成功重構(gòu)了植保素德布尼醇（debneyol）的生物合成通路，同時(shí)揭示了miR1919-MCD1模塊在該通路中的核心調(diào)控作用機(jī)制，并進(jìn)一步證明MCD1可通過(guò)組織多酶復(fù)合物實(shí)現(xiàn)代謝流的精準(zhǔn)導(dǎo)向至debneyol合成，顯著增強(qiáng)植物對(duì)真菌、病毒和細(xì)菌的廣譜抗病能力。上述成果不僅闡明了植保素debneyol介導(dǎo)植物化學(xué)防御的遺傳學(xué)基礎(chǔ)，也為通過(guò)基因工程創(chuàng)制廣譜抗病作物以及利用合成生物學(xué)手段規(guī)模化生產(chǎn)廣譜抗病化合物debneyol奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

圖1：廣譜抗病植保素德布尼醇（debneyol）生物合成與調(diào)控

在本研究中，團(tuán)隊(duì)鑒定到一個(gè)茄科植物特有的miR1919及其靶基因MCD1。沉默miR1919或過(guò)表達(dá)MCD1會(huì)觸發(fā)強(qiáng)烈的植物細(xì)胞死亡，并伴隨debneyol的積累。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)鑒定到MCD1可與5-EA合成酶（EAS）互作，EAS負(fù)責(zé)催化法尼基焦磷酸（FPP）環(huán)化生成5-EA。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，MCD1誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡依賴EAS活性，且MCD1顯著改變5-EA下游代謝產(chǎn)物的分布。農(nóng)桿菌侵染時(shí)另一類倍半萜天然產(chǎn)物capsidiol及其乙酰化衍生物大量積累，debneyol不可檢測(cè)；而MCD1過(guò)表達(dá)時(shí)，debneyol大量積累。這表明MCD1將代謝流從capsidiol分支重定向至debneyol分支。

為闡明其分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)整合多組學(xué)與生化分析，解析了debneyol的完整生物合成路徑：以FPP為前體，依次經(jīng)EAS、5-EA環(huán)氧化酶（EAE）和環(huán)氧化物水解酶1（EH1）三步催化生成終產(chǎn)物debneyol。具體而言，EAS催化FPP生成5-EA，EAE將其轉(zhuǎn)化為(R)-5-EA-11,12-epoxide（5-EA-11,12-環(huán)氧化物），隨后EH1進(jìn)一步水解生成debneyol（圖1）。該研究首次完整解析并在酵母中重構(gòu)了debneyol從FPP到終產(chǎn)物的三步生物合成通路，解決了自1979年其被發(fā)現(xiàn)以來(lái)長(zhǎng)期未解的生化機(jī)制問(wèn)題。

最令人興奮的發(fā)現(xiàn)來(lái)自MCD1的作用機(jī)制。MCD1不僅轉(zhuǎn)錄上調(diào)EAS、EAE、EH1等基因的表達(dá)，更關(guān)鍵的是，其還是一個(gè)代謝組織者（metabolic organizer），通過(guò)組裝EAS-EAE-EH1多酶復(fù)合物，增強(qiáng)EAE的催化活性并誘導(dǎo)底物通道效應(yīng)（substrate channeling），將代謝流從capsidiol分支“重定向”至debneyol分支，從而高效地引導(dǎo)前體5-EA進(jìn)入廣譜抗病化合物debneyol的合成（圖1）。這一發(fā)現(xiàn)拓展了人們對(duì)代謝調(diào)控的認(rèn)知: 除了經(jīng)典的轉(zhuǎn)錄調(diào)控和翻譯后修飾，植物還可以通過(guò)代謝組織者的空間組織和活性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)代謝分支的精準(zhǔn)控制。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，debneyol的積累與細(xì)胞死亡程度及抗病性呈正相關(guān)。在MCD1過(guò)表達(dá)的植物中，debneyol大量合成，植株表現(xiàn)出對(duì)病毒（煙草壞死病毒）、真菌（灰霉菌、鏈格孢菌）和細(xì)菌（假單胞桿菌）等多種病原體的廣譜抗性。重要的是，利用病原誘導(dǎo)型啟動(dòng)子TBF1及其上游開(kāi)放閱讀框（uORFs）驅(qū)動(dòng)MCD1在本生煙草中表達(dá)，可在不影響植物正常生長(zhǎng)的情況下，實(shí)現(xiàn)植物對(duì)跨界病原的廣譜抗性。

該研究完整闡明了植保素debneyol的生物合成通路（由EAS、EAE、EH1三步酶促反應(yīng)構(gòu)成）及其核心調(diào)控機(jī)制（通過(guò)miR1919-MCD1模塊），揭示了植物化學(xué)防御中一個(gè)此前未知的遺傳與分子通路，尤其是MCD1作為“代謝組織者”組裝EAS-EAE-EH1多酶復(fù)合物，增強(qiáng)EAE的催化活性并誘導(dǎo)底物通道效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)代謝流由capsidiol分支向debneyol分支的重定向，從而高效合成廣譜抗病化合物debneyol。這些發(fā)現(xiàn)為培育廣譜抗病作物提供了新的基因資源和設(shè)計(jì)策略，并為通過(guò)基因工程創(chuàng)制廣譜抗病作物及利用合成生物學(xué)規(guī)模化生產(chǎn)debneyol奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

值得一提的是，劉玉樂(lè)團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在植物免疫領(lǐng)域持續(xù)取得一系列重要突破。除本項(xiàng)發(fā)表在Cell上的研究外，近年來(lái)的代表性工作還包括：2025年發(fā)表于Nature的研究，開(kāi)創(chuàng)性地提出并建立了人工設(shè)計(jì)植物抗病基因的全新策略——通過(guò)將病原蛋白酶識(shí)別切割位點(diǎn)與自激活NLR免疫受體融合，使植物能夠?qū)Χ喾N馬鈴薯Y病毒屬病毒實(shí)現(xiàn)完全免疫，賦予其“超廣譜”抗性（預(yù)測(cè)可抵御100余種植物病毒），并有望拓展為抗病毒、細(xì)菌、真菌、卵菌、線蟲(chóng)及刺吸式昆蟲(chóng)等多類病蟲(chóng)害的通用策略；2023年發(fā)表于Nature的研究揭示了水楊酸甲酯（MeSA）介導(dǎo)的植物氣傳性免疫機(jī)制，鑒定了氣態(tài)MeSA受體SABP2，闡明了植物通過(guò)揮發(fā)性化合物實(shí)現(xiàn)“預(yù)警”通訊的分子基礎(chǔ)；2021年發(fā)表于Cell Host & Microbe的研究首次將鈣信號(hào)與抗病毒RNAi聯(lián)系起來(lái)，發(fā)現(xiàn)植物可通過(guò)感知病毒入侵誘導(dǎo)的鈣流來(lái)增強(qiáng)RNAi抗病毒反應(yīng)，揭示了一條全新的免疫調(diào)控通路。上述系列成果從免疫機(jī)制解析（植物化學(xué)防御、群體免疫和植物抗病毒RNAi）與免疫受體工程化等多個(gè)層面系統(tǒng)深化了對(duì)植物免疫的認(rèn)識(shí)，為培育具有廣譜抗性的作物提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)與技術(shù)路徑。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.04.021