质外体是植物抵御病原菌入侵的第一道防线，其功能稳健与否直接决定了作物的抗病能力。作为植物病理学领域最核心、最具挑战性的前沿方向之一，质外体免疫长期以来备受关注。在植物-病原菌的激烈攻防中，病原菌会向植物的质外体空间释放大量的效应蛋白来抑制植物的免疫反应，从而突破植物的防御屏障。这些效应蛋白究竟如何抑制植物免疫？植物能否通过调节免疫系统来“反制”病原菌？如何将这些作用机制用于作物的抗病性改良？这些问题不仅是植物病理学的研究热点，也是当前农业生物技术亟需解决的重大科学难题。
近日，牛津大学Renier A. L. van der Hoorn教授团队在PNAS杂志发表了题为Pathogen-inspired engineering of plant protease enhances late blight resistance的研究论文。该团队的研究人员受病原菌致病机制启发，借助 AlphaFold 进行蛋白质结构设计，对植物蛋白酶进行改造，显著提升了植物对马铃薯晚疫病菌的抗病能力。该成果展示了利用人工智能精准设计作物免疫因子的巨大潜力，具有重要的科学意义和应用价值。
该研究以半胱氨酸蛋白酶 PLCP 为切入点，系统鉴定出马铃薯晚疫病菌基因组可以编码20 个PLCP蛋白酶基因。进一步分析发现，其中两个蛋白酶 Pain1 和 Pain2 在病原菌侵染过程中显著诱导表达，并且它们在其它疫霉菌中也高度保守。在烟草中瞬时表达Pains能显著促进马铃薯晚疫病菌的侵染，并且这一功能依赖于它们的蛋白酶活性。尽管二者属于同一家族，但体外酶活实验发现它们对底物切割具有明显的选择性，提示这两种蛋白酶可能通过识别并切割不同底物来发挥各自的生物学功能。
除了 Pains之外，马铃薯晚疫病菌在侵染过程中还会向寄主分泌PLCP 蛋白酶抑制子 EpiCs。该团队此前已发现，EpiCs能够有效抑制植物 PLCP 蛋白酶C14的活性。那么，它们是否也会抑制病原菌自身蛋白酶 Pains？研究人员通过生化实验证实，EpiCs能够强烈抑制植物蛋白酶 C14 的活性，但对病原菌自身的 Pains 仅表现出微弱的抑制作用。这说明病原菌利用抑制子定向削弱植物免疫因子，而避免损伤自身的关键蛋白。
先前研究表明，植物蛋白酶 C14 能正向调控植物免疫，但其活性会受到 EpiCs的严重抑制，从而限制其抗病能力。那么，如果让 C14 逃避病原菌的抑制作用，能否增强其介导的抗病能力？研究人员进一步借助 AlphaFold 预测了蛋白酶C14和Pain1与抑制子的复合体结构，并鉴定出 7 个关键的互作差异位点。将 C14 上的 7 个关键氨基酸替换成病原菌 Pain1 上的对应氨基酸，会显著降低其对抑制子的敏感性。烟草中瞬时表达实验也证实，改良版的eC14 相比天然 C14 能大幅提升对晚疫病菌的抗性。
该研究发现，马铃薯晚疫病菌通过效应蛋白 EpiCs 强烈抑制植物蛋白酶 C14 的活性，而对其自身蛋白酶 Pains 的抑制作用较弱。研究人员正是“以彼之道，还施彼身”，利用病原菌的这一弱点，对植物蛋白酶C14 的结构进行理性设计，使病原菌分泌的 EpiCs 减弱抑制效果。基于这一思路，研究人员提出了“病原菌启发式”的作物抗病工程新范式，不仅深化了对植物-病原微生物互作机制的理解，也为培育高抗作物和开发新型病害防控策略开辟了新的技术方向。
牛津大学生物系博士后黄杰博士为论文的第一作者，Renier A. L. van der Hoorn教授为通讯作者。英国生物科学委员会的BBSRC项目和欧洲研究协会的ERC项目为本研究提供了基金资助。
黄杰（https://www.biology.ox.ac.uk/people/jie-huang）博士长期致力于利用活性蛋白质组学、人工智能、合成生物学、纳米工程等前沿科技深入开展病原菌的致病机制解析与作物的抗病性改良。在植物抗病机制与分子设计育种领域取得了一系列开创性与引领性的突破性成果。相关研究以第一作者或通讯作者（含共同）发表于Nature Communications（2篇）、PNAS、Current Biology、Molecular Plant、Trends in Plant Science、Advanced Science、New Phytologist等国际著名期刊，其中2篇入选 ESI 高被引论文。多次受邀在国际会议作学术报告，并获得 Google DeepMind 在“全球粮食安全与人工智能应用”领域的专访。
黄杰博士将于2026年初全职回国，加盟四川大学生命科学学院，组建“人工智能与免疫学实验室”。实验室将以化学生物学、人工智能、纳米工程与免疫学的交叉融合为特色，围绕“作物免疫”开展原创性基础研究与应用导向性研究。实验室现面向海内外诚聘多名博士后、科研助理，诚邀对前沿技术充满热情、具有探索精神的青年学者加入。课题组成员将获得赴牛津大学、剑桥大学等世界顶尖高校访学的机会，并支持参加国际高水平学术会议，参与全球学术交流与合作，在国际学术舞台上拓展学术影响力。课题负责人已获多个 JCR Q1 国际期刊的约稿邀请，实验室成员可优先以第一作者或共同第一作者身份参与高水平综述及前沿研究论文的撰写，显著提升个人学术影响力与学术发展潜力。课题组研究经费充足，欢迎加入，共谋进步！
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招聘详情见课题组主页的招聘栏目：
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论文链接：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2524700123
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