植物疫苗(“植物疫苗”步入农业生产)

　当前，疫苗已经普遍应用于提高人和动物的免疫力，那你听说过“植物疫苗”吗？

　　其实，就像人类和其他多细胞生物一样，植物在与病原体长期斗争过程中，也形成了复杂的免疫系统。当感知到病原体“兵临城下”时，植物免疫系统便会被激活以防止感染。而生命体除了依靠先天的免疫力之外，后天的免疫力也能够被疫苗“诱导”产生。中国农业大学生物学院巩志忠和齐俊生教授团队创制的“植物免疫启动蛋白（Plant immune Priming Protein，PIPP）”，便是依据植物免疫原理创制的“植物疫苗”，目前团队已为其产品“威普绿（VIP）”申请专利。

　　植物免疫启动蛋白，特指由植物、动物或微生物产生的蛋白质分子，通过与植物细胞膜外特定受体相互识别，提前启动植物自身的防御、免疫系统。当植物再次遇到病害或逆境时，能够快捷、高效地激活这种防御系统，顺利完成整个生命周期，结出高品质的果实与种子。

　　让植物的先天免疫“动”起来

　　上世纪90年代初，美国康奈尔大学研究人员在研究梨及苹果的火疫病病菌时发现并分离出超敏蛋白（Harpin），该蛋白不仅能让植物对病害进行抵抗，还可以促进植物生长。但在1992年的《科学》杂志刊出后，世界范围内对此类蛋白的研究一度陷入沉寂。

　　在中国，2004年刚留校任教的中国农业大学生物学院齐俊生博士也做着相似的研究。“我们从黄萎菌中分离得到了‘维大力’基因，原本是想将它作为一个基因转到植物里，试验能否产生抗黄萎病的效果。但推广受阻后，我们又猜想，如果把它做成蛋白溶液，喷到植物上会是什么效果？”齐俊生回忆道。但由于想法太过“离奇”，当时绝大多数人都不看好。

　　从2004年初步产生思路，直到2011年才看到明显效果，齐俊生团队反复试验、甘苦备尝，后来加入中国农业大学生物学院巩志忠教授团队、进入国家重点实验室后，第一个植物免疫启动蛋白产品“维大力”的创制进程进一步加速，从原本只在棉花上发挥作用，到之后功能验证不断跨越到粮食、蔬菜及瓜果等多种作物。

　　“超敏蛋白来源于细菌，‘维大力’来源于真菌，虽然两者是分别被发现的，但都属于基于植物先天免疫达到防治效果的免疫诱抗蛋白。”齐俊生说，“维大力”氨基酸序列与超敏蛋白完全不同，且安全、无毒，也不容易造成植物的过敏性死亡，作物使用之后，能同步实现免疫、增产及改善品质的效果。

　　那植物先天免疫反应是什么？为什么一个真菌源蛋白质有此奇效呢？

　　齐俊生介绍，当病原菌侵染时，植物有细胞外免疫和细胞内免疫两种应对机制。植物叶子和根系表面的细胞膜外分布着无数个感受器，当植物细胞感知到病原及逆境因子后，便将信息传递给“司令部”细胞核，从而调动细胞内防御系统进行病害防卫，这一过程与医学上的先天免疫类似。

　　“由于‘维大力’是植物病原菌的一个蛋白质分子，被植物细胞膜外受体识别后就起到了释放信号的作用，进而激发出植物免疫反应，跟普通植保杀虫杀菌的原理完全不一样。”中国农业大学生物学院原院长、“973计划”首席科学家巩志忠告诉记者。

　　如果说“维大力”的研制是一个从实践到理论的过程，那么，第二个植物免疫启动蛋白产品——“威普绿”的研制则是由理论指导实践。既然“维大力”的作用是释放信号，那么植物细胞膜上应该有特异识别“维大力”的接收器。于是，研究团队顺藤摸瓜，找到了一个同时与“维大力”及其接收器有直接关系的元器件——“威普绿”。

　　“‘威普绿’是植物细胞产生的一个小蛋白质分子，可以把它比喻为‘侦查兵’，经常外出侦查敌情，又有协助信号接收器的功能。一旦有敌情及时上报，从而启动植物免疫反应。”齐俊生解释道，如果把“威普绿”与“维大力”混合使用，接收器接收与传递信号将更为通畅。

　　“‘威普绿’英文名称VIP中的‘I’，我更想解读成阿拉伯数字里的‘1’，因为它太独特、太稀有了，是第一个植物源免疫蛋白质单分子产品。”齐俊生说，只有极少数作物的细胞具有VIP这种蛋白，而且它还是“维大力”的互作蛋白。经过5年的探索，2022年“威普绿”的功能不仅在实验室得以证明，而且广谱的免疫诱导作用在田间也得以验证，的确属于植物免疫启动蛋白。

　　诱导出“强”的植物生长发育系统

　　“这两个植物免疫启动蛋白都可以促进种子萌发、根的生长，作用于种子后相当于给它一个警示信号，哪怕是外界生存境况较好的情况下，它也有赶快生长的危机感和紧迫感。”巩志忠强调，它是带有抗性地促进生长，能“诱导”出植物防御系统和生长发育系统的超水平表达。

　　随着研究、实验的进一步完善，团队发现“威普绿”与“维大力”二者以不同的比例配合使用，在促壮苗、提高免疫力方面表现更为显著。而“威普绿”除了具备“维大力”的基本功能外，在植物遇到干旱、盐碱时以及水果保鲜方面都有明显改善作用。

　　2023年9月，记者曾跟随齐俊生教授来到山东济宁曲阜的玉米试验田，这里刚开展了一次“威普绿”产品大面积应用测试。时值初秋，试验田里的玉米依然梗叶油绿、棒槌结实，形成对照的未施用地块，很多叶子已经干枯。

　　经过测试，施用过“威普绿”的2300亩玉米，茎粗平均增加4.5mm，根系更为发达，亩产较其他地块增产率高达17.83%。更令齐俊生感到欣慰的是，9月初相邻农户种植的玉米大面积爆发锈病，但测试田玉米受锈病病害影响较小，没有倾倒现象出现。

　　在玉米上展现出来的保绿效果，在小麦示范田也同样表现突出。去年多地小麦生产遭遇“烂场雨”，但在山东及河南等地使用“威普绿”的试验田小麦受影响不大，展示了活秆成熟、抗倒伏、抑制穗发芽等功能。

　　“保绿、持绿，农业上叫活秆成熟，其实也可以称为延续生命。”巩志忠说，“麦子成熟后，麦粒干在穗上，籽粒跟母体脱离，一来雨很快就会发芽；但使用这款蛋白后，小麦青秆绿叶并且正常成熟，相当于麦穗和秸秆始终保持联系，不仅不影响收获时间，而且遇雨也不易发芽，同时能减少呕吐毒素的含量。”

　　“威普绿”还能帮助采摘后的果蔬延长“新鲜”生命。齐俊生的助手介绍，在蓝莓和圣女果的保鲜对照实验中，用“威普绿”蛋白喷施处理后，在常温（27℃）环境下，10天后蓝莓的完好率优于保鲜剂对照组，圣女果保鲜期则延长至45天。

　　从实验室走向田间有多远

　　蛋白质分子极易降解，一遇高温就变性。如何保持蛋白的持久稳定性，成为“植物疫苗”产品化应用的关键。

　　“我们将蛋白做成蛋白干粉，几乎可以与杀虫剂、杀菌剂等所有农药肥料复配，因此用起来非常简单。”齐俊生说，工程菌技术成功解决了植物免疫启动蛋白稳定性难题，把“娇嫩”的植物免疫启动蛋白从实验室带到田间地头。

　　生产问题解决之后，大面积推广成了最大难题。“作为科学家，如果不把机理深入地讲清楚，就很难有说服力，只能让大家去现场看后发现确实有效果。”巩志忠说，由于概念新颖、功能广谱，在产品推广中遭遇了意想不到的困扰。

　　事实上，植物对于外界刺激的应对机理远比人类想象的更复杂。经过20多位硕博士的艰辛努力，“维大力”在植物细胞内的分子作用机理得到了国际植物学界的认可，研究论文在植物学著名杂志《植物细胞》上发表。而“威普绿”是一种未知蛋白，它的功能首次被发现，目前团队仍在深入研究其中的机理。

　　让农民从用化学农药杀菌杀虫的固有习惯，转变为提前启动植物免疫系统的观念，也不是一件容易的事。

　　“植物疫苗”如何使用？科研团队认为，就类似于注射疫苗，不是等到发病时才打疫苗，而要在种子阶段或种苗阶段开始使用，使植物从幼苗阶段即获得快速启动免疫的能力，同时在植物的生长阶段进行叶面喷施，再次加强免疫。

　　然而，植物免疫启动蛋白不像化学农药有立竿见影的效果，它属于“治未病”，到中后期才能看到特别明显的成效。

　　科学团队对植物免疫启动蛋白的前景充满信心。齐俊生介绍，目前“维大力”已经转让给中捷四方生物科技股份有限公司，作为助剂在生产中获得应用推广。“威普绿”在山东种业集团有限公司与中国农业大学产学研合作下已经实现量产。未来，团队将与企业在产学研方面密切合作，期待为新一轮千亿斤粮食产能提升和瓜果蔬菜的安全生产作出贡献。