當前，疫苗已經(jīng)普遍應用于提高人和動物的免疫力，那你聽說過“植物疫苗”嗎？

其實，就像人類和其他多細胞生物一樣，植物在與病原體長期斗爭過程中，也形成了復雜的免疫系統(tǒng)。當感知到病原體“兵臨城下”時，植物免疫系統(tǒng)便會被激活以防止感染。而生命體除了依靠先天的免疫力之外，后天的免疫力也能夠被疫苗“誘導”產(chǎn)生。中國農(nóng)業(yè)大學生物學院鞏志忠和齊俊生教授團隊創(chuàng)制的“植物免疫啟動蛋白（Plant immune Priming Protein，PIPP）”，便是依據(jù)植物免疫原理創(chuàng)制的“植物疫苗”，目前團隊已為其產(chǎn)品“威普綠（VIP）”申請專利。

植物免疫啟動蛋白，特指由植物、動物或微生物產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，通過與植物細胞膜外特定受體相互識別，提前啟動植物自身的防御、免疫系統(tǒng)。當植物再次遇到病害或逆境時，能夠快捷、高效地激活這種防御系統(tǒng)，順利完成整個生命周期，結(jié)出高品質(zhì)的果實與種子。

讓植物的先天免疫“動”起來

上世紀90年代初，美國康奈爾大學研究人員在研究梨及蘋果的火疫病病菌時發(fā)現(xiàn)并分離出超敏蛋白（Harpin），該蛋白不僅能讓植物對病害進行抵抗，還可以促進植物生長。但在1992年的《科學》雜志刊出后，世界范圍內(nèi)對此類蛋白的研究一度陷入沉寂。

在中國，2004年剛留校任教的中國農(nóng)業(yè)大學生物學院齊俊生博士也做著相似的研究。“我們從黃萎菌中分離得到了‘維大力’基因，原本是想將它作為一個基因轉(zhuǎn)到植物里，試驗能否產(chǎn)生抗黃萎病的效果。但推廣受阻后，我們又猜想，如果把它做成蛋白溶液，噴到植物上會是什么效果？”齊俊生回憶道。但由于想法太過“離奇”，當時絕大多數(shù)人都不看好。

從2004年初步產(chǎn)生思路，直到2011年才看到明顯效果，齊俊生團隊反復試驗、甘苦備嘗，后來加入中國農(nóng)業(yè)大學生物學院鞏志忠教授團隊、進入國家重點實驗室后，第一個植物免疫啟動蛋白產(chǎn)品“維大力”的創(chuàng)制進程進一步加速，從原本只在棉花上發(fā)揮作用，到之后功能驗證不斷跨越到糧食、蔬菜及瓜果等多種作物。

“超敏蛋白來源于細菌，‘維大力’來源于真菌，雖然兩者是分別被發(fā)現(xiàn)的，但都屬于基于植物先天免疫達到防治效果的免疫誘抗蛋白。”齊俊生說，“維大力”氨基酸序列與超敏蛋白完全不同，且安全、無毒，也不容易造成植物的過敏性死亡，作物使用之后，能同步實現(xiàn)免疫、增產(chǎn)及改善品質(zhì)的效果。

那植物先天免疫反應是什么？為什么一個真菌源蛋白質(zhì)有此奇效呢？

齊俊生介紹，當病原菌侵染時，植物有細胞外免疫和細胞內(nèi)免疫兩種應對機制。植物葉子和根系表面的細胞膜外分布著無數(shù)個感受器，當植物細胞感知到病原及逆境因子后，便將信息傳遞給“司令部”細胞核，從而調(diào)動細胞內(nèi)防御系統(tǒng)進行病害防衛(wèi)，這一過程與醫(yī)學上的先天免疫類似。

“由于‘維大力’是植物病原菌的一個蛋白質(zhì)分子，被植物細胞膜外受體識別后就起到了釋放信號的作用，進而激發(fā)出植物免疫反應，跟普通植保殺蟲殺菌的原理完全不一樣。”中國農(nóng)業(yè)大學生物學院原院長、“973計劃”首席科學家鞏志忠告訴記者。

如果說“維大力”的研制是一個從實踐到理論的過程，那么，第二個植物免疫啟動蛋白產(chǎn)品——“威普綠”的研制則是由理論指導實踐。既然“維大力”的作用是釋放信號，那么植物細胞膜上應該有特異識別“維大力”的接收器。于是，研究團隊順藤摸瓜，找到了一個同時與“維大力”及其接收器有直接關系的元器件——“威普綠”。

“‘威普綠’是植物細胞產(chǎn)生的一個小蛋白質(zhì)分子，可以把它比喻為‘偵查兵’，經(jīng)常外出偵查敵情，又有協(xié)助信號接收器的功能。一旦有敵情及時上報，從而啟動植物免疫反應。”齊俊生解釋道，如果把“威普綠”與“維大力”混合使用，接收器接收與傳遞信號將更為通暢。

“‘威普綠’英文名稱VIP中的‘I’，我更想解讀成阿拉伯數(shù)字里的‘1’，因為它太獨特、太稀有了，是第一個植物源免疫蛋白質(zhì)單分子產(chǎn)品。”齊俊生說，只有極少數(shù)作物的細胞具有VIP這種蛋白，而且它還是“維大力”的互作蛋白。經(jīng)過5年的探索，2022年“威普綠”的功能不僅在實驗室得以證明，而且廣譜的免疫誘導作用在田間也得以驗證，的確屬于植物免疫啟動蛋白。

誘導出“強”的植物生長發(fā)育系統(tǒng)

“這兩個植物免疫啟動蛋白都可以促進種子萌發(fā)、根的生長，作用于種子后相當于給它一個警示信號，哪怕是外界生存境況較好的情況下，它也有趕快生長的危機感和緊迫感。”鞏志忠強調(diào)，它是帶有抗性地促進生長，能“誘導”出植物防御系統(tǒng)和生長發(fā)育系統(tǒng)的超水平表達。

隨著研究、實驗的進一步完善，團隊發(fā)現(xiàn)“威普綠”與“維大力”二者以不同的比例配合使用，在促壯苗、提高免疫力方面表現(xiàn)更為顯著。而“威普綠”除了具備“維大力”的基本功能外，在植物遇到干旱、鹽堿時以及水果保鮮方面都有明顯改善作用。

2023年9月，記者曾跟隨齊俊生教授來到山東濟寧曲阜的玉米試驗田，這里剛開展了一次“威普綠”產(chǎn)品大面積應用測試。時值初秋，試驗田里的玉米依然梗葉油綠、棒槌結(jié)實，形成對照的未施用地塊，很多葉子已經(jīng)干枯。

經(jīng)過測試，施用過“威普綠”的2300畝玉米，莖粗平均增加4.5mm，根系更為發(fā)達，畝產(chǎn)較其他地塊增產(chǎn)率高達17.83%。更令齊俊生感到欣慰的是，9月初相鄰農(nóng)戶種植的玉米大面積爆發(fā)銹病，但測試田玉米受銹病病害影響較小，沒有傾倒現(xiàn)象出現(xiàn)。

在玉米上展現(xiàn)出來的保綠效果，在小麥示范田也同樣表現(xiàn)突出。去年多地小麥生產(chǎn)遭遇“爛場雨”，但在山東及河南等地使用“威普綠”的試驗田小麥受影響不大，展示了活稈成熟、抗倒伏、抑制穗發(fā)芽等功能。

“保綠、持綠，農(nóng)業(yè)上叫活稈成熟，其實也可以稱為延續(xù)生命。”鞏志忠說，“麥子成熟后，麥粒干在穗上，籽粒跟母體脫離，一來雨很快就會發(fā)芽；但使用這款蛋白后，小麥青稈綠葉并且正常成熟，相當于麥穗和秸稈始終保持聯(lián)系，不僅不影響收獲時間，而且遇雨也不易發(fā)芽，同時能減少嘔吐毒素的含量。”

“威普綠”還能幫助采摘后的果蔬延長“新鮮”生命。齊俊生的助手介紹，在藍莓和圣女果的保鮮對照實驗中，用“威普綠”蛋白噴施處理后，在常溫（27℃）環(huán)境下，10天后藍莓的完好率優(yōu)于保鮮劑對照組，圣女果保鮮期則延長至45天。

從實驗室走向田間有多遠

蛋白質(zhì)分子極易降解，一遇高溫就變性。如何保持蛋白的持久穩(wěn)定性，成為“植物疫苗”產(chǎn)品化應用的關鍵。

“我們將蛋白做成蛋白干粉，幾乎可以與殺蟲劑、殺菌劑等所有農(nóng)藥肥料復配，因此用起來非常簡單。”齊俊生說，工程菌技術成功解決了植物免疫啟動蛋白穩(wěn)定性難題，把“嬌嫩”的植物免疫啟動蛋白從實驗室?guī)У教镩g地頭。

生產(chǎn)問題解決之后，大面積推廣成了最大難題。“作為科學家，如果不把機理深入地講清楚，就很難有說服力，只能讓大家去現(xiàn)場看后發(fā)現(xiàn)確實有效果。”鞏志忠說，由于概念新穎、功能廣譜，在產(chǎn)品推廣中遭遇了意想不到的困擾。

事實上，植物對于外界刺激的應對機理遠比人類想象的更復雜。經(jīng)過20多位碩博士的艱辛努力，“維大力”在植物細胞內(nèi)的分子作用機理得到了國際植物學界的認可，研究論文在植物學著名雜志《植物細胞》上發(fā)表。而“威普綠”是一種未知蛋白，它的功能首次被發(fā)現(xiàn)，目前團隊仍在深入研究其中的機理。

讓農(nóng)民從用化學農(nóng)藥殺菌殺蟲的固有習慣，轉(zhuǎn)變?yōu)樘崆皢又参锩庖呦到y(tǒng)的觀念，也不是一件容易的事。

“植物疫苗”如何使用？科研團隊認為，就類似于注射疫苗，不是等到發(fā)病時才打疫苗，而要在種子階段或種苗階段開始使用，使植物從幼苗階段即獲得快速啟動免疫的能力，同時在植物的生長階段進行葉面噴施，再次加強免疫。

然而，植物免疫啟動蛋白不像化學農(nóng)藥有立竿見影的效果，它屬于“治未病”，到中后期才能看到特別明顯的成效。

科學團隊對植物免疫啟動蛋白的前景充滿信心。齊俊生介紹，目前“維大力”已經(jīng)轉(zhuǎn)讓給中捷四方生物科技股份有限公司，作為助劑在生產(chǎn)中獲得應用推廣。“威普綠”在山東種業(yè)集團有限公司與中國農(nóng)業(yè)大學產(chǎn)學研合作下已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)。未來，團隊將與企業(yè)在產(chǎn)學研方面密切合作，期待為新一輪千億斤糧食產(chǎn)能提升和瓜果蔬菜的安全生產(chǎn)作出貢獻。

來源：農(nóng)民日報