JIPB丨华中农业大学程运江/朱峰团队综述代谢物在植物免疫中的功能及AI在诱抗剂研发中的应用前景

人口激增与气候变化加剧已成为当前全球性的重大粮食安全挑战。由病原体引起的农作物损耗导致了全球主要作物高达20%–40%的减产, 是全球农作物有效供给的主要限制性因素之一。作为植物生命活动的物质基础, 初生和次生代谢物在植物免疫反应中发挥着物理防护、信号分子、抗菌剂等多重功能, 构成了植物防御策略的基础。因此, 系统解析代谢物与植物免疫的相互作用机制, 不仅具有重要理论意义, 也为下一代人工外源诱抗剂设计, 保障全球农产品安全提供了科学和应用基础。

近日, 华中农业大学程运江教授/朱峰研究员团队联合马克斯普朗克分子植物生理所Alisdair R. Fernie教授在JIPB发表了题为“Metabolite-mediated plant immunity: From traditional defenders to artificial elicitors”的综述论文 (https://doi.org/10.1111/jipb.70225)。该研究全面回顾了植物代谢物在免疫中的重要功能, 并深入剖析了纳米技术、从头驯化和人工智能在人工诱抗剂设计中的应用前景。

碳水化合物、氨基酸和脂质等初生代谢物构成了植物免疫调节的基本组成部分, 并在防御网络中发挥信号调控和能量底物等多重作用。激素、酚类、生物碱和萜类等次生代谢物对植物与环境的相互作用至关重要, 并作为信号调节因子和化学防御物质以抵御病原体。该研究系统梳理了不同类型初生和次生代谢物的代表性化合物及其以信号分子、抗菌剂等形式在植物防御机制中发挥的具体功能 (图1)。尽管植物进化出了以针对性积累抗菌代谢物为特征的复杂防御机制, 但持续的协同进化使病原体也形成了对抗植物抗病机制的复杂策略。该研究也总结了不同病原体通过分泌效应蛋白和小分子诱导植物代谢重编程, 弱化植物对病原菌抑制的调控机制。

图1 典型初生和次生代谢物及其在植物防御机制中的作用概述

鉴于代谢物作为植物免疫反应的核心介质, 新型高效人工诱抗剂的合理设计是满足全球粮食需求的重要策略之一。该研究进一步探讨并展望了人工智能、纳米技术及从头驯化等在人工诱抗剂设计中的应用与未来前景。系统讨论了人工智能通过整合和解释复杂的大规模数据集, 从代谢物注释与通路发现, 到代谢物-蛋白相互作用解析, 再到诱抗剂筛选与从头设计和高通量功能验证, 加速新型人工诱抗剂的研发 (图2)。

图2 人工智能驱动的植物免疫新型人工诱抗剂创新研究流程

华中农业大学朱峰研究员与马克斯-普朗克分子植物生理学研究所Alisdair R. Fernie教授为该论文的共同通讯作者。华中农业大学硕士研究生唐家骏与博士研究生解为玮为共同第一作者。程运江教授为相关工作提供了重要指导。该工作得到了国家重点研发计划 (2023YFD2300605)、国家自然科学基金国际 (地区) 合作研究项目 (32320103005)、农业农村部现代农业产业技术体系、中央高校基本科研业务费 (2662023PY011) 及湖北洪山实验室基金 (2023hsqd006) 等项目的资助。