许多肆虐农作物并威胁我们粮食供应的细菌都采用一种共同的策略来诱发疾病：它们会直接向植物细胞中注入有害蛋白质的组合。25 年来，生物学家何升阳和他的高级研究助理野村欣弥一直在研究植物病原体用来在全球数百种作物（从水稻到苹果园）中致病的这组分子。

现在，在三个合作研究小组的共同努力下，他们终于找到了这些分子如何使植物生病的答案，以及解除它们的方法。

相关研究成果于 9 月 13 日发表在《自然》（Nature）杂志上。

实验室的研究人员研究的是这种致命鸡尾酒的关键成分，即名为 AvrE/DspE 的注射蛋白家族，它们会导致从豆类的褐斑病、番茄的细菌斑点到果树的火疫病等各种病害。

自从 20 世纪 90 年代初被发现以来，研究植物病害的人就对这个蛋白家族产生了浓厚的兴趣。它们是细菌武库196世界之最中的关键武器；在实验室中消灭它们，就能使原本危险的细菌变得无害。但是，尽管经过几十年的努力，关于它们如何工作的许多问题仍然没有答案。

研究人员发现，AvrE/DspE 家族中的许多蛋白质都能抑制植物的免疫系统，或在植物叶片上形成水渍状黑斑--这是感染的最初征兆。他们甚至知道氨基酸的基本序列，这些氨基酸就像串珠一样连接成蛋白质。但他们不知道这串氨基酸是如何折叠成三维形状的，因此无法轻易解释它们是如何工作的。

问题的部分原因在于这个家族的蛋白质非常庞大。一般的细菌蛋白质可能只有 300 个氨基酸，而 AvrE/DspE 家族的蛋白质却有 2000 个氨基酸。

研究人员曾寻找其他具有类似序列的蛋白质来寻找线索，但没有发现任何具有已知功能的蛋白质。

"它们是奇怪的蛋白质，"他说。于是，他们求助于2021年发布的一款名为AlphaFold2的计算机程序，该程序利用人工智能预测给定氨基酸串的三维形状。

计算机生成的一种名为 DspE 的细菌蛋白质的三维地图显示了其稻草般的形状。资料来源：杜克大学

研究人员知道，这个家族中的一些成员可以帮助细菌躲避植物的免疫系统。但他们第一次看到这种蛋白质的三维结构时，发现了它的另一个作用。

研究报告的共同作者、杜克大学生物化学http://www.196nk.cn教授周培（音译）说："当我们第一次看到这个模型时，它和我们想象的完全不一样。"

研究人员研究了人工智能对感染梨、苹果、西红柿和玉米等农作物的细菌蛋白质的预测，发现它们都具有类似的三维结构。它们似乎折叠成一个带有圆柱形茎干的小蘑菇，就像吸管一样。

预测的形状与使用低温电子显微镜捕捉到的导致果树火疫病的细菌蛋白质的图像十分吻合。从上往下看，这种蛋白质非常像一根空心管。

这引起了研究人员的思考：也许细菌利用这些蛋白质在植物细胞膜上打洞，在感染过程中"强迫宿主喝水"。

细菌进入叶片后，首先接触到的一个区域是细胞之间的空间，称为细胞质。通常情况下，植物会让这一区域保持干燥，以便进行光合作用所需的气体交换。但当细菌入侵时，叶片内部就会积水，为它们创造了一个湿润舒适的觅食和繁殖天堂。

对196世界之最预测的火疫病蛋白三维模型的进一步研究发现，虽然稻草状结构的外部是防水的，但其中空的内核却对水有着特殊的亲和力。

为了验证水通道假说，研究小组与杜克大学生物学教授董珂及其实验室博士后、共同第一作者费利佩-安德烈亚扎（Felipe Andreazza）合作。他们在蛙卵中加入了细菌蛋白AvrE和DspE的基因读数，将蛙卵作为制造这些蛋白的细胞工厂。将蛙卵放入稀释的生理盐水中，水过多会使蛙卵迅速膨胀并196世界之最破裂。

研究人员还尝试通过阻断这些细菌蛋白的通道来解除它们的作用。野村重点研究了一类名为PAMAM树枝状聚合物的微小球形纳米粒子。www.196nk.cn这种树枝状聚合物在药物输送领域已经使用了二十多年，可以在实验室中制成直径精确的颗粒。

他说："我们当时的假设是，如果我们找到合适直径的化学物质，也许就能堵住孔隙。"

在测试了不同大小的颗粒后，他们发现了一种他们认为大小正好能堵住由火疫病病原体 Erwinia amylovora 产生的水通道蛋白的颗粒。

他们取来能合成这种蛋白质的蛙卵，用 PAMAM 纳米粒子浇灌，水就不再流入蛙卵。它们没有膨胀。

他们还处理了感染病原体丁香假单胞菌的拟南芥植物，这种病原体会导致细菌斑点。通道阻断纳米粒子阻止了细菌的生长，使植物叶片中的病原体浓度降低了 100 倍。

这些化合物对其他细菌感染也有效。研究人员在梨果上做了同样的实验，梨果接触到了导致火疫病的细菌，但梨果从未出现症状--细菌没有让梨果生病。

"这是一个漫长的过程，但它成功了，"他说。"我们对此感到非常兴奋。"

研究人员说，这些发现可以为防治许多植物病害提供新的思路。我们吃的食物中有80%是植物生产的。然而，全球粮食产量的10%以上--小麦、水稻、玉米、马铃薯和大豆等作物--每年都会因植物病原体和害虫而损失，全球经济损失高达2200亿美元。

研究小组已就这一方法申请了临时专利。周和共同第一作者、周实验室的博士生程杰说，下一步要做的是，通过更详细地观察通道阻断纳米粒子和通道蛋白是如何相互作用的，弄清这种保护是如何起作用的。

周说："如果我们能对这些结构进行成像，我们就能更好地理解并设计出更好的作物保护方案。"