柑橘，是橘、柑、橙、金柑，柚、枳等的總稱，是蕓香科(Rutaceae)柑橘屬(Citrus)小喬木，是世界第一大類水果，也是全球最重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。全球柑橘產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值超萬(wàn)億元，是農(nóng)業(yè)貿(mào)易中不可或缺的支柱產(chǎn)業(yè)。從地中海沿岸的陽(yáng)光果園到美洲的現(xiàn)代化種植帶，柑橘以龐大的生產(chǎn)規(guī)模，點(diǎn)綴著全球數(shù)十億人的生活。柑橘不僅富含維生素C、類黃酮等營(yíng)養(yǎng)元素，更是文化象征——屈原筆下的“橘頌”、春節(jié)的“吉祥果”，柑橘承載著人們對(duì)美好生活的期許。除直接食用外，柑橘還可以加工為陳皮、罐頭、果汁飲料、蜜餞、精油、香氛等產(chǎn)品，延伸產(chǎn)業(yè)鏈，增加產(chǎn)品附加值。然而，這一“甜蜜產(chǎn)業(yè)”正面臨一場(chǎng)席卷全球的疾?。焊涕冱S龍病（Huanglongbing, HLB）。
柑橘黃龍病作為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域最具破壞性的超過百年歷史的植物蟲媒病害之一，對(duì)全球柑橘產(chǎn)業(yè)造成了毀滅性打擊，目前已在亞洲、非洲、南北美洲和歐洲的50多個(gè)柑橘種植國(guó)家蔓延危害，并且在我國(guó)柑橘主產(chǎn)區(qū)的多個(gè)省市爆發(fā)為害，如廣西和江西等，全國(guó)發(fā)生面積超過百萬(wàn)畝，每年導(dǎo)致百億元的經(jīng)濟(jì)損失。該病害主要由韌皮部專性寄生菌--韌皮桿菌亞洲種（Candidatus Liberibacter asiaticus, CLas）引發(fā)，典型癥狀為葉片斑駁黃化、果實(shí)畸形呈“紅鼻果”、植株系統(tǒng)性衰退。由于病原菌無(wú)法體外純培養(yǎng)，導(dǎo)致致病機(jī)制解析長(zhǎng)期受阻。田間主要依賴柑橘木虱傳播，防控難度倍增。目前商業(yè)化主栽柑橘種質(zhì)資源中尚未發(fā)現(xiàn)有效抗性基因，藥劑治療尚未能突破，病害蔓延呈不可逆態(tài)勢(shì)逐年加重。
圖1：封面圖片
2025年4月11日，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所葉健研究員團(tuán)隊(duì)在Science雜志在線發(fā)表了題為Targeted MYC2 stabilization confers citrus Huanglongbing resistance的封面文章。該研究首次解析了柑橘抗黃龍病的核心分子機(jī)制，闡明了由PUB21-MYC2組成的HLB抗性遺傳回路，并利用AI輔助篩選穩(wěn)定抗病蛋白MYC2的雙功能肽，田間試驗(yàn)結(jié)果表明該小肽APP3-14能有效治療黃龍病，單季防控效率達(dá)80%。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所為該研究申報(bào)了中國(guó)發(fā)明專利6項(xiàng)，國(guó)際專利3項(xiàng)。
研究團(tuán)隊(duì)關(guān)注于促進(jìn)柑橘黃龍病發(fā)生發(fā)展的感病基因（Susceptibility genes，S genes），利用中國(guó)科學(xué)院在蕓香科物種及種質(zhì)資源方面的優(yōu)勢(shì)，深度挖掘我國(guó)柑橘族內(nèi)近緣種和蕓香亞科具有抗性免疫遠(yuǎn)緣種資源，通過比較基因組和比較轉(zhuǎn)錄組分析，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)降解相關(guān)的E3泛素連接酶PUB家族中的PUB21基因的表達(dá)水平同蕓香科抗柑橘黃龍病顯著負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步結(jié)合轉(zhuǎn)基因和基因編輯等方法，證實(shí)PUB21是HLB的一個(gè)感病基因，負(fù)調(diào)控柑橘對(duì)HLB的抗性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，柑橘的“遠(yuǎn)親”蕓香亞科的咖喱、花椒等植物中存在另一個(gè)PUB21基因拷貝，該拷貝編碼了具有顯性負(fù)效應(yīng)(Dominant Negative, DN)的近源基因PUB21DN，編碼的39位關(guān)鍵氨基酸發(fā)生突變（Cys-39突變?yōu)锳la），該突變顯著削弱了感病基因PUB21編碼的E3泛素連接酶活性，賦予了柑橘抗HLB的能力。
圖3 HLB感病基因PUB21 及其近源基因PUB21DN 的發(fā)現(xiàn)。（A）蕓香亞科植物和及其他物種的系統(tǒng)發(fā)育樹。（B）在咖喱和花椒中PUB21及其顯性負(fù)效應(yīng)的近源基因PUB21DN的局部序列比對(duì)。（C）顯性負(fù)效應(yīng)的近源基因PUB21DN削弱感病基因PUB21編碼的E3泛素連接酶活性。
通過酵母雙雜篩選出PUB21的泛素化底物蛋白MYC2。MYC2作為植物防御激素-茉莉酸（JA）合成通路的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)控JA的生物合成和下游的防御反應(yīng)。PUB21能泛素化降解MYC2，抑制MYC2調(diào)控的下游防御反應(yīng)；而PUB21DN對(duì)MYC2的降解能力顯著減弱，進(jìn)而大大增強(qiáng)了MYC2介導(dǎo)的多種次生代謝物的生物合成。為深入解析柑橘族內(nèi)不同物種對(duì)黃龍病感病程度具有顯著差異的分子機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)比較分析了PUB21啟動(dòng)子上的進(jìn)化差異，發(fā)現(xiàn)易感品種（甜橙等）的啟動(dòng)子中存在helitron轉(zhuǎn)座子片段插入，該插入片段富含多個(gè)MYC2特異性結(jié)合的G-box like基序以激活PUB21基因的表達(dá)，形成了MYC2-PUB21反饋調(diào)節(jié)環(huán)路。此外，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)黃龍病菌CLas增強(qiáng)宿主感病的作用機(jī)制，病原菌外泌效應(yīng)子SDE5增強(qiáng)PUB21與MYC2結(jié)合從而促進(jìn)MYC2的泛素化降解，進(jìn)一步抑制MYC2調(diào)控的防御反應(yīng)。
受此天然抗性機(jī)制的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)靶向感病蛋白PUB21的泛素連接酶活性，創(chuàng)新性的發(fā)展出AI輔助篩選穩(wěn)定抗病蛋白MYC2的藥物篩選系統(tǒng)，從數(shù)百萬(wàn)級(jí)的大數(shù)據(jù)庫(kù)中高效篩選出APP3等多條雙功能肽。田間藥效試驗(yàn)表明雙功能肽能有效抑制病原菌的積累，顯著減輕HLB的癥狀，能有效遏制HLB在田間的迅速擴(kuò)散。該研究團(tuán)隊(duì)同步構(gòu)建了“抗病基因挖掘-分子機(jī)制解析-智能藥物設(shè)計(jì)”全鏈條研發(fā)體系，不僅為黃龍病防控提供了基因編輯新靶點(diǎn)，更開創(chuàng)了靶向蛋白穩(wěn)定性對(duì)抗難培養(yǎng)病原體的全新策略，對(duì)維護(hù)全球柑橘產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。
圖4 靶向穩(wěn)定MYC2賦予柑橘黃龍病抗性的作用機(jī)制模型。
中國(guó)科學(xué)院微生物研究所葉健研究員、趙平芝副研究員以及西南大學(xué)王雪峰研究員為該論文的通訊作者。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所趙平芝副研究員、楊歡博士研究生和孫艷偉高級(jí)工程師為該論文的共同第一作者。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所方榮祥院士、西南大學(xué)周常勇研究員以及美國(guó)加利福尼亞大學(xué)戴維斯分校Daniel J. Kliebenstein教授為該研究提供了重要的建設(shè)性意見。北京華大生命科學(xué)研究院孫海汐研究員和肖韓碩士、贛南師范大學(xué)易龍教授、廣西大學(xué)張曉曉講師以及葉健研究員團(tuán)隊(duì)其他成員也參與了這項(xiàng)研究工作。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://science.org/doi/10.1126/science.adq7203
專家點(diǎn)評(píng)
鄧秀新（中國(guó)工程院院士，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院教授）
黃龍病是全球柑橘產(chǎn)業(yè)面臨的毀滅性病害，因其潛伏期長(zhǎng)、癥狀隱匿、傳播迅速成為制約我國(guó)乃至世界柑橘產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重大問題。長(zhǎng)期以來，由于病原菌無(wú)法分離培養(yǎng)，且自然抗性種質(zhì)資源極為稀缺，導(dǎo)致相關(guān)研究和防控技術(shù)開發(fā)進(jìn)展緩慢。面對(duì)這一產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所葉健及其合作者研究團(tuán)隊(duì)圍繞“植物如何識(shí)別并有效抵御黃龍病原”的核心問題，取得了具有原創(chuàng)性的突破，研究結(jié)果發(fā)表在新近一期科學(xué)雜志（Science）上。
該團(tuán)隊(duì)深入解析了柑橘抗黃龍病的分子機(jī)制，首次明確了E3泛素連接酶PUB21通過降解關(guān)鍵抗病蛋白MYC2，負(fù)向調(diào)控植物免疫響應(yīng)的作用路徑，揭示了一個(gè)高度保守且可調(diào)控的遺傳抗性回路。鑒定到的感病基因PUB21為柑橘黃龍病抗性的精準(zhǔn)改良提供了清晰的分子靶點(diǎn)，對(duì)柑橘抗性改良具有重要指導(dǎo)價(jià)值。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)基于機(jī)制認(rèn)知，自主構(gòu)建了靶向PUB21活性的高通量篩選系統(tǒng)，成功篩選出包括雙功能肽APP3-14在內(nèi)的多種對(duì)黃龍病菌具有顯著抑制作用的候選分子，為黃龍病的防控提供了小分子物質(zhì)。
這項(xiàng)研究不僅拓展了植物免疫調(diào)控理論的前沿，也為我國(guó)柑橘黃龍病綠色防控奠定了理論基礎(chǔ)。期待加快研發(fā)產(chǎn)品進(jìn)行田間試驗(yàn)，形成穩(wěn)定有效、易推廣的生物制劑產(chǎn)品，助力我國(guó)柑橘產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
專家點(diǎn)評(píng)
陳劍平（中國(guó)工程院院士，寧波大學(xué)植物病毒研究所所長(zhǎng)）
黃龍?。℉uanglongbing, HLB）又稱為柑橘綠化病，是全球柑橘產(chǎn)業(yè)面臨的最具毀滅性的病害之一，其病原體主要是“韌皮部桿菌亞洲種”（Candidatus Liberibacter asiaticus），難以培養(yǎng)且缺乏有效防控手段，該病發(fā)生史逾百年，導(dǎo)致全球50多個(gè)柑橘主要種植國(guó)家，每年超百億美元的經(jīng)濟(jì)損失。中國(guó)科學(xué)院微生物研究所葉健團(tuán)隊(duì)最新在《Science》雜志發(fā)表的封面文章《Targeted MYC2 stabilization confers citrus Huanglongbing resistance》，揭示了黃龍病抗性的分子機(jī)制，并提出了一種基于人工智能（AI）的創(chuàng)新防治策略。這一研究不僅為植物病理學(xué)領(lǐng)域提供了重要的理論突破，更為田間應(yīng)用開辟了全新路徑，堪稱植物保護(hù)領(lǐng)域的里程碑式成果。
該研究首次揭示了柑橘中E3泛素連接酶PUB21與轉(zhuǎn)錄因子MYC2之間的動(dòng)態(tài)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)，HLB易感柑橘品種中，轉(zhuǎn)座子Helitron片段的插入導(dǎo)致PUB21啟動(dòng)子區(qū)富集MYC2結(jié)合元件，形成“PUB21-MYC2負(fù)反饋回路”，從而加速M(fèi)YC2的泛素化降解，削弱茉莉酸（JA）介導(dǎo)的防御反應(yīng)。相反，抗病柑橘近緣種中存在的天然顯性負(fù)效突變體PUB21DN能夠抑制PUB21活性，穩(wěn)定MYC2蛋白，顯著增強(qiáng)抗病性?；诖?，團(tuán)隊(duì)通過AI篩選出雙功能肽APP3-14，該肽可特異性結(jié)合并抑制感病柑橘中PUB21活性，在溫室和田間試驗(yàn)中均展現(xiàn)出高效的防控效果。
研究首次解析了黃龍病易感性與抗性的分子開關(guān)，闡明了病原體效應(yīng)蛋白SDE5通過增強(qiáng)PUB21-MYC2互作以逃逸宿主免疫的機(jī)制，為植物-病原互作研究提供了新范式。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)結(jié)合基因編輯與AI驅(qū)動(dòng)的多肽設(shè)計(jì)，突破了傳統(tǒng)抗病育種依賴抗性基因的局限，實(shí)現(xiàn)了“靶向抗性蛋白穩(wěn)定性”這一全新抗病策略的轉(zhuǎn)化應(yīng)用。挖掘的雙功能治療性小肽兼具抑制病原增殖和激活宿主免疫的雙重功能，其高效性及田間驗(yàn)證的成功，為難以培養(yǎng)的植物病原防控提供了通用性解決方案。
此項(xiàng)研究不僅為柑橘黃龍病的防控提供了革命性工具，更啟示我們：面對(duì)復(fù)雜植物病害，需深度融合基礎(chǔ)研究與技術(shù)創(chuàng)新，從分子機(jī)制解析到田間技術(shù)集成，形成“科學(xué)-技術(shù)-產(chǎn)業(yè)”閉環(huán)。未來，加強(qiáng)跨學(xué)科合作、加速成果轉(zhuǎn)化，將是實(shí)現(xiàn)全球糧食安全與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。
專家點(diǎn)評(píng)
王年（美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)柑橘研究與教育中心教授）
Citrus Huanglongbing is currently the most devastating citrus disease worldwide. The team of Dr. Jian Ye from Institute of Microbiology, Chinese Academy of Sciences and researchers from China and USA have collaborated and identified a novel HLB susceptibility gene PUB21. The HLB pathogen Candidatus Liberibacter asiaticus (CLas) infection induces expression of PUB21 via MYC2 regulation. Interestingly a dominant-negative PUB21 paralog (PUB21DN) with variations that changes cysteine-39 to alanine in the conserved U-box domain was discovered in HLB-resistant citrus relatives. Transgenic overexpression of PUB21DN in citrus enables immunity to CLas. In addition, gene silencing of PUB21 also enables immunity against HLB. The authors have demonstrated that PUB21DN interferes with the degradation function of PUB21 on its target MYC2. The MYC2 positively regulates JA-mediated plant defense including isoprenoid, flavonoid and phenylpropanoid, some of which are known antimicrobial secondary metabolites. Importantly, this resistance is not only against HLB, but also against psyllids. The authors have shown that the HLB pathogen enhances the PUB21-MYC2 interactions via its SDE5 effector. With the aid of an artificial intelligence assistant screening pipeline, the authors identified antiproeteolysis peptides (APPs). Among them, multiple APPs inhibit PUB21. Interestingly, APP3 also showed bactericidal activity and its application reduces CLas in planta and HLB symptoms. Overall, this is an exciting progress in understanding the disease resistance mechanism of some citrus relatives against HLB. Identification of the HLB susceptibility gene PUB21 provides a critical target to improve disease resistance of commercial citrus varieties via CRISPR genome editing approach. The disease resistance mechanism to HLB is through JA pathway, representing a novel perspective in disease resistance against biotrophic pathogens. Interestingly, some HLB resistant citrus species or relatives do not contain PUB21DN, indicating other HLB resistance mechanisms are yet to be explored.
專家點(diǎn)評(píng)
金海翎 （加州大學(xué) 河濱分校教授）
黃龍?。℉LB）作為柑橘產(chǎn)業(yè)的毀滅性病害，其病原 Candidatus Liberibacter asiaticus（CLas）的不可培養(yǎng)特性與宿主易感性機(jī)制不明，長(zhǎng)期阻礙有效防治策略的開發(fā)。最近，中科院微生物所的葉健團(tuán)隊(duì)對(duì)HLB的研究做出了突破性的重要進(jìn)展。他們的研究首次系統(tǒng)揭示了 PUB21-MYC2-JA 的核心調(diào)控網(wǎng)絡(luò)：在易感柑橘品種中，E3泛素連接酶PUB21通過啟動(dòng)子區(qū)域的helitron轉(zhuǎn)座子插入事件形成自我強(qiáng)化的反饋回路，加速茉莉酸（JA）信號(hào)核心轉(zhuǎn)錄因子MYC2的泛素化降解，從而削弱宿主防御；而在抗性近緣物種中，PUB21顯性負(fù)突變體（PUB21DN）通過抑制野生型PUB21活性，穩(wěn)定MYC2并激活抗菌代謝通路。尤為關(guān)鍵的是，研究揭示了CLas效應(yīng)蛋白SDE5通過增強(qiáng)PUB21-MYC2互作進(jìn)一步促進(jìn)免疫逃逸，為病原操縱宿主蛋白降解系統(tǒng)提供了新證據(jù)。
更具顛覆性的是，團(tuán)隊(duì)利用人工智能（AI）篩選出 抗蛋白水解肽APP3-14，其通過靶向抑制PUB21泛素化活性穩(wěn)定MYC2，同時(shí)直接破壞CLas細(xì)胞膜，在溫室與田間試驗(yàn)中顯著降低病原載量且無(wú)反彈，療效超越傳統(tǒng)抗生素。此研究從分子機(jī)制解析到技術(shù)創(chuàng)新均屬里程碑式進(jìn)展：提出的 基因編輯、AI肽治療 雙重策略，分別從宿主抗性強(qiáng)化、直接殺菌兩個(gè)維度突破HLB防治瓶頸。該成果不僅填補(bǔ)了宿主-病原互作機(jī)制的理論空白，更為實(shí)現(xiàn)黃龍病的可持續(xù)治理提供了多維度解決方案，標(biāo)志著病害防控從經(jīng)驗(yàn)管理邁向分子設(shè)計(jì)時(shí)代。
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