Advanced Science | 江苏大学陈坚团队综述植物基因工程提高抗病性的不同策略

植物病害一直是全球农业面临的重大挑战，严重影响农作物产量和质量。为了应对这一问题，科学家们不断探索增强植物抗病性的方法。近日，江苏大学陈坚课题组联合上海交通大学陈焕副教授及宁波大学孙宗涛教授等在Advanced Science发表了题为All Roads Lead to Rome: Pathways to Engineering Disease Resistance in Plants的综述文章，总结了植物抗病工程的研究进展，为开发持久、广谱的抗病植物品种提供了重要参考。

植物与病原体的 “军备竞赛”

植物在长期进化过程中形成了复杂的免疫系统，包括模式触发免疫（PTI）、效应触发免疫（ETI）和系统获得性抗性（SAR）等多层防御机制。然而，病原体也不甘示弱，它们通过各种策略逃避或抑制植物的免疫反应，如降解或改变病原体相关分子模式（PAMPs）、分泌效应蛋白干扰植物免疫信号传导、操纵宿主基因促进感染等。这种植物与病原体之间的 “军备竞赛” 促使科学家们不断寻找新的方法来增强植物的抗病能力。

增强植物抗病性的策略

1. 抗性基因的跨物种转移：通过转移单个或多个抗性基因，可以使植物获得对特定病原体的抵抗力。此外，基因堆叠技术能够整合多个抗性基因，提高植物的抗病持久性，但也可能对微生物病原体产生强烈的选择压力，导致 “超级病原体” 的出现。

2. 免疫受体工程

• PRRs ：对植物模式识别受体（PRRs）进行工程改造。然而，引入外源 PRRs 可能会影响植物与有益微生物的相互作用，需要谨慎评估其对植物微生物组的影响。

• NLRs ：通过修饰 NLRs 的结构，可以扩展其效应物识别特异性，增强激活敏感性，避免免疫抑制。但 NLRs 工程可能导致植物自身免疫反应，需要深入研究其信号传导机制，以选择合适的改造策略。

系统获得性抗性（SAR）：通过操纵 SAR 组件，如过表达 NPR1、强化 NHP 途径、过表达 PR 基因或抗菌肽（AMP）基因等，可以增强植物的 SAR 反应，从而提高其对多种病原体的抵抗力。

正向免疫调节因子过表达：增强植物免疫正向调节因子的活性，如转录因子、钙通道蛋白、MAPK/MPK 级联相关基因以及植物激素相关基因等，可以有效提高植物的抗病能力。但这些策略可能会引发植物自身免疫问题，影响植物的正常生长和发育，因此需要精确调控其表达水平。

S 基因编辑：S 基因是病原体操纵宿主以促进感染的关键基因。通过基因编辑技术破坏 S 基因的功能，可以使植物获得对多种病原体的抗性，且这种抗性具有持久性。目前，S 基因编辑面临的主要挑战是如何避免对植物发育产生不良影响，以及如何提高编辑效率和准确性。

E 基因：植物中的 E 基因能够特异性识别病原体的转录激活因子样效应物（TALEs），并触发强烈的免疫反应。通过工程化 E 基因，如将效应物结合元件（EBEs）整合到 E 基因启动子中，可以增强植物对依赖 TALEs 的病原体的抗性。然而，E 基因的组成性表达可能导致植物生长异常，因此需要精确调控其表达模式。

RNA 沉默与自噬

• RNA 干扰（RNAi）：RNAi 是植物抵御病毒感染的重要机制。通过激活 RNAi，如利用宿主诱导基因沉默（HIGS）或喷雾诱导基因沉默（SIGS）技术，可以有效控制植物病毒的传播。

• 自噬：自噬是一种保守的细胞内降解途径，在植物抗病毒防御中发挥着重要作用。通过增强自噬活性，可以促进病毒成分的降解，抑制病毒复制。

可持续生态友好型病害控制方法：除了上述基于基因工程的策略外，利用有益微生物和有机植物免疫诱导剂等可持续生态友好型方法也可以增强植物的免疫力，预防植物病害的发生。此外，良好的农业实践，如轮作、土壤有机改良，以及生物合成纳米材料的应用，也为植物病害控制提供了新的思路和方法。

未来展望

随着对植物 - 病原体相互作用机制的深入理解和生物技术的不断发展，未来有望开发出更加高效、持久和环境友好的植物抗病工程策略。一方面，需要进一步筛选和鉴定更多的抗性资源，深入研究植物免疫受体的结构和功能，以提高免疫受体工程的效率和准确性。另一方面，结合人工智能和大数据技术，预测植物与病原体之间的相互作用，实现精准的抗病基因编辑和分子设计，将为植物抗病工程带来新的突破。此外，加强跨学科合作，整合生物学、化学、物理学等多学科知识，开发新型的植物病害控制技术，也是未来研究的重要方向。

植物抗病工程领域取得了显著进展，多种策略为培育抗病植物品种提供了有力支持。然而，要实现农业的可持续发展，仍需不断探索和创新，以应对日益复杂多变的植物病害威胁。

江苏大学陈坚教授、上海交通大学陈焕副教授及宁波大学孙宗涛教授为该论文的共同通讯作者。博士后Aziz Ul Ikram外籍副教授Muhammad Saad Shoaib Khan为论文的共同第一作者。俄克拉何马州立大学助理教授Feng Feng也参与了论文的撰写工作。本文得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，上海市自然科学基金，中国博士后基金，江苏省卓越博士后等项目的资助。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202412223