科学家们发现了一种有前景的新方法，可以保护全球一些最重要的粮食作物免受威胁全球粮食安全的破坏性真菌的侵害。通过工程化植物的自然免疫防御机制，研究人员开发了一种实验性方法，最终可能帮助小麦、稻米和大麦更有效地抵御真菌感染。这个国际研究团队由英国约翰·因尼斯中心的科学家领导，研究了最近发现的一组植物免疫受体。他们确定了这些蛋白质如何识别入侵的病原体，并示范了它们可以被修改以检测多种真菌威胁。这一发现可能为作物提供更强大、更持久的抗病能力打开大门。“我们发现了一些可以导致对谷物最大真菌病进行潜在干预的东西，”研究小组领导、约翰·因尼斯中心的马克·班菲尔德教授说，并指出这项研究与日本神户大学的合作者合作进行。一个毁灭性的真菌正威胁全球粮食供应。此次研究的目标是真菌镰刀菌（Magnaporthe oryzae），它是引起稻瘟病的原因。这是影响水稻栽培最严重的真菌病，且在亚洲和非洲部分地区，对小麦和大麦构成了重大威胁。损失巨大。每年，稻瘟病摧毁足够的水稻，足以喂养大约6000万人。随着真菌扩散到其他农业地区，开发有效的保护作物的方法对于全球粮食安全变得日益重要。该真菌通过复杂的生物策略感染植物。它将被称为效应子（effectors）的专门分子输送到叶子和茎中的细胞。这些分子干扰正常的植物功能，使病原体建立感染并促进疾病。然而，植物已经进化出自己的防御系统。专业的免疫受体能够识别这些外来分子，并触发保护反应。一个重要的机制是导致受感染细胞在受控的局部区域死亡，从而帮助防止病原体进一步在植物中传播。科学家发现了一种隐藏的植物免疫防御。三十多年来，植物免疫的大部分研究集中在称为核苷酸结合和富含亮氨酸的受体（NLRs）上。这些受体在理解作物如何识别和抵御稻瘟病及其他感染中发挥了核心作用。最近，科学家们开始研究在谷物作物中发现的另一组免疫蛋白，称为串联激酶蛋白（TKPs）。虽然研究人员仍在学习这些受体的工作原理，但它们似乎为加强植物防御提供了额外的机会。早期研究表明，一些TKPs含有一个被称为重金属相关（HMA）结构域的特殊区域。在某些NLR受体中也发现了类似区域，它们帮助识别病原效应子并启动免疫反应。这一共享特征引起了班菲尔德和他的同事的注意，因为这表明科学家可能能够重新设计受体以识别额外的真菌威胁。“这激发了我们的兴趣，”班菲尔德教授说。“如果我们能够通过在效应子结合的地方对氨基酸蛋白进行改变来工程化这些集成的HMA结构域，我们就能获得我们所称的新型识别特异性——并潜在地为植物抵御疾病提供新的前线。”将真菌攻击分子转化为目标。在发表在《科学进展》上的研究中，研究人员仔细检查了HMA结构域与稻瘟真菌释放的分子之间的相互作用。通过生物物理技术和结晶学，这是一种允许科学家确定分子的详细三维结构的方法，团队获得了这些植物受体如何与真菌效应子结合的高分辨率视图。结果揭示，HMA结构域可以作为生物诱饵。通过结合真菌在感染过程中使用的分子，这些区域帮助植物识别入侵病原体的存在并激活其防御。根据这一结构信息，研究人员修改了TKP免疫受体，使其能够识别与小麦和大麦感染相关的两种不同真菌效应子。这种检测多个目标的能力，称为双重特异性，在天然发生的免疫受体中是罕见的。证明它可以通过蛋白质工程引入，为扩大作物免疫系统能够识别的威胁范围提供了一个有希望的途径。研究结果还为调查不同谷物作物中最近识别出的其他TKPs提供了基础。科学家可能最终能够设计出能够检测多种真菌效应子的定制免疫受体。