一株外表上看起来安静的植物，体内或许早已打响了一场看不见的“攻防战”——它可能正在抗击病毒、细菌、真菌、卵菌、线虫，甚至刺吸式昆虫等多种病虫害。据联合国粮农组织评估，全球范围内每年因农作物病虫害造成粮食减产量近40%，部分真菌病害还会产生毒素威胁人畜健康。
病虫害防控对保障粮食和重要农产品稳定安全供给具有重要意义。但现有的抗病虫害手段受限较多，广谱、持久、易部署的抗病基因是农业科技迫切需要的“关键利器”。
针对这一问题，清华大学生命学院刘玉乐教授团队提出一种人工设计植物抗病基因的全新策略，给植物安装“智能抗病程序”，使植物能够主动识别病原体赖以生存的蛋白酶，并在病原体入侵时精准激活免疫反应，从而实现广谱、持久且高效的抗病。
该成果入选2025年清华大学最受师生关注的年度亮点成果之一。
突破传统思路 构建植物免疫新策略
过去，植物抗病研究中的经典思路往往是先找到一个能够识别某种病原效应蛋白的抗病基因，再把它导入作物中。这种方法可使植物产生较强的抗病效果，但抗病范围窄，且很难应对病原体的快速变异——一旦病原体通过效应蛋白突变逃避免疫识别，原有的免疫受体就可能失去对病原体的识别能力，植物抗性也随之减弱甚至失效，这也是植物与病原体之间 “持久斗争”的常态。
基于对植物-病原体互作的长期研究，学界普遍认为多种植物病虫害都能够编码或者分泌蛋白酶。尤其对病毒来说，约45%的病毒编码蛋白酶，需要依赖蛋白酶活性致病。这使研究团队意识到，针对 “病原蛋白酶” 设计抗病策略，将使得抗病策略更有普适性。
此外，NLR是植物体内重要的免疫受体，主要包括CC-NLR（CNL） ，TIR-NLR（TNL）和CCR-NLR（RNL）三种类型。刘玉乐团队早在十年前发现，通过在NLR的关键区域引入特定突变，可获得自激活型NLR免疫受体（aNLR），并且在CNL的氨基（N）端融合额外多肽会抑制其免疫活性，这一现象为后续人工设计抗病基因提供了重要理论基础。
在此基础上，团队提出并建立了一种新的植物抗病策略：将携带病原蛋白酶识别切割位点的多肽融合到aNLR的N端，构建一种人工设计的免疫受体。这就好比给aNLR加上了一把特制的“锁”，无病原存在时，aNLR被融合多肽抑制，处于失活状态。而病原入侵后，其编码或分泌的蛋白酶就像一把“钥匙”，能够特异性地识别并打开这把“锁”（也就是融合蛋白上的切割位点），释放aNLR，激活强烈的免疫反应，使植物实现抗病。若选用保守性高的蛋白酶识别切割位点，相当于这把“锁”能匹配一大类病原的“钥匙”，可使植物获得广谱持久的抗病能力。
构建植物免疫新策略示意图。
根据研究团队成员、生命学院博士后王君竹介绍，该策略主要包括三部分：封闭多肽、病原蛋白酶切割位点和aNLR。没有病原体时，封闭多肽像一道“保险栓”，把受体暂时锁住；病原体入侵后，其蛋白酶会定点切开这段封闭结构，释放出aNLR，迅速触发免疫反应，使植物实现抗病。
化被动筛选为主动设计 构建人工抗病基因
王君竹表示，具体而言，根据新的植物抗病策略，这项研究是化被动筛选为主动设计，构建新的人工抗病基因，让植物获得自主、广谱抗病的能力。
实验室中的本生烟草。
团队构建了2种人工抗病基因，转入这2种基因的本生烟草表现出对多种马铃薯 Y 病毒属（Potyvirus）病毒的广谱抗性，甚至能完全阻断病毒对植物的侵染。这些病毒包括马铃薯Y病毒、芜菁花叶病毒、辣椒斑驳病毒、辣椒脉斑驳病毒和李痘病毒等。基于马铃薯Y病毒属的病毒蛋白酶和切点的保守性，研究团队预计构建的抗病基因可赋予植物“超级广谱”抗病性，理论上有望抵抗超过100多种植物病毒。
与现有方法相比，该策略在构建抗病基因方面具有多重优势：构建简单，仅需改造单个aNLR基因；可针对众多不同的病原进行定制化设计抗病基因、抗性广谱且持久稳定、不易被病原突破，且抗病效果强。
此外，该方法具有高度普适性，适用于所有作物，并可与基因组编辑技术结合，直接编辑植物内源NLR基因获得新型抗病基因。
有定制抗病基因的本生烟草抗多种Potyvirus属病毒。
该研究成果以“重塑自激活NLR赋予植物广谱抗病”为题，于2025年7月在《自然》(Nature)期刊发表。刘玉乐教授为论文通讯作者，王君竹博士为第一作者。《自然》期刊的研究简报评价该项研究“提出了一种优雅简洁且高度创新的植物抗病方法”。
从本生烟草到大豆 迈向田间应用
这项研究没有只停留在模式植物，且在大田作物中验证成功，开始迈向田间应用，致力于服务农业生产与国家粮食安全需求。
大豆是全球重要的粮食作物和经济作物，其抗病能力直接影响大豆产业的稳产保供水平。于是，在完成本生烟草的验证以后，团队将实验目标转为大豆，标志着团队的工作从“实验室的分子机制证明”迈入了 “ 农业应用的前期验证阶段”。团队将识别位点替换为大豆花叶病毒（SMV）的蛋白酶切割位点，按照上述新抗病策略改造后的大豆植株对SMV表现出完全抗性，而且在温室条件下，株高、结实和产量等农艺性状并未受到明显影响。这意味着，该技术在实现高效抗病的同时，不会以牺牲作物正常生长发育为代价。
有定制抗病基因的大豆抗大豆花叶病毒。
“这一步并不轻松，”王君竹回忆将实验推进到大豆的过程，“整个实验的过程周期长且结果未知，内心真的很煎熬。”相比烟草等模式植物，大豆遗传转化效率更低、生长周期更长，很多环节都充满不确定性。最终，团队通过与中国农科院棉花研究所合作，耗时约一年才拿到了关键材料，也正是在这一过程中，一个概念上的“好点子”逐渐成长为更接近真实农业场景的成果。
团队还在继续向更深处探索。在单一蛋白酶切割位点的基础上，团队进一步尝试串联两个切割位点，把对烟草蚀纹病毒（TEV）的识别也纳入进来。新的设计将在保留原有抗性的同时，确实增加了对TEV的抵抗能力。尽管目前尚未达到对每一株植物都完全抗病的理想效果，但在王君竹看来，这依然是一次明确的方向性突破，因为它证明了串联切割位点能够进一步拓宽抗性谱。
这项技术为利用人工设计策略创制广谱抗病作物提供了全新的技术路线。未来，随着更多病原蛋白酶切割位点的挖掘与应用，该策略有望扩展至病毒、细菌、真菌、卵菌、线虫以及刺吸式害虫等更多病虫害，为保障我国粮食安全和促进绿色农业发展提供新的解决方案。
