許多肆虐農作物並威脅我們糧食供應的細菌都採用一種共同的策略來誘發疾病：它們會直接向植物細胞中註入有害蛋白質的組合。25 年來，生物學家何升陽和他的高級研究助理野村欣彌一直在研究植物病原體用來在全球數百種作物（從水稻到蘋果園）中致病的這組分子。

現在，在三個合作研究小組的共同努力下，他們終於找到了這些分子如何使植物生病的答案，以及解除它們的方法。

相關研究成果於9 月13 日發表在《自然》（Nature）期刊。

實驗室的研究人員研究的是這種致命雞尾酒的關鍵成分，即名為AvrE/DspE 的注射蛋白家族，它們會導致從豆類的褐斑病、番茄的細菌斑點到果樹的火疫病等各種病害。

自從20 世紀90 年代初被發現以來，研究植物病害的人就對這個蛋白家族產生了濃厚的興趣。它們是細菌武庫中的關鍵武器；在實驗室中消滅它們，就能使原本危險的細菌變得無害。但是，儘管經過幾十年的努力，關於它們如何運作的許多問題仍然沒有答案。

研究人員發現，AvrE/DspE 家族中的許多蛋白質都能抑制植物的免疫系統，或在植物葉片上形成水漬狀黑斑–這是感染的最初徵兆。他們甚至知道氨基酸的基本序列，這些氨基酸就像串珠一樣連接成蛋白質。但他們不知道這串氨基酸是如何折疊成三維形狀的，因此無法輕易解釋它們是如何運作的。

問題的部分原因在於這個家族的蛋白質非常龐大。一般的細菌蛋白質可能只有300 個胺基酸，而AvrE/DspE 家族的蛋白質卻有2000 個胺基酸。

研究人員曾尋找其他具有類似序列的蛋白質來尋找線索，但沒有發現任何已知功能的蛋白質。

“它們是奇怪的蛋白質，”他說。於是，他們求助於2021年發布的一款名為AlphaFold2的計算機程序，該程序利用人工智慧預測給定氨基酸串的三維形狀。

電腦生成的一種名為DspE 的細菌蛋白質的三維地圖顯示了其稻草般的形狀。資料來源：杜克大學

研究人員知道，這個家族中的一些成員可以幫助細菌躲避植物的免疫系統。但他們第一次看到這種蛋白質的三維結構時，發現了它的另一個作用。

研究報告的共同作者、杜克大學生物化學教授週培（音譯）說：”當我們第一次看到這個模型時，它和我們想像的完全不一樣。”

研究人員研究了人工智慧對感染梨子、蘋果、番茄和玉米等農作物的細菌蛋白質的預測，發現它們都具有類似的三維結構。它們似乎折疊成一個帶有圓柱形莖幹的小蘑菇，就像吸管一樣。

預測的形狀與使用低溫電子顯微鏡捕捉到的導致果樹火疫病的細菌蛋白質的圖像十分吻合。從上往下看，這種蛋白質非常像一根空心管。

這引起了研究人員的思考：也許細菌利用這些蛋白質在植物細胞膜上打洞，在感染過程中”強迫宿主喝水”。

細菌進入葉片後，首先接觸到的一個區域是細胞之間的空間，稱為細胞質。通常情況下，植物會讓這一區域保持乾燥，以便進行光合作用所需的氣體交換。但當細菌入侵時，葉片內部就會積水，為它們創造了一個濕潤舒適的覓食和繁殖天堂。

對預測的火疫病蛋白三維模型的進一步研究發現，雖然稻草狀結構的外部是防水的，但其中空的內核卻對水有著特殊的親和力。

為了驗證水通道假說，研究小組與杜克大學生物學教授董珂及其實驗室博士後、共同第一作者費利佩-安德烈亞扎（Felipe Andreazza）合作。他們在蛙卵中加入了細菌蛋白AvrE和DspE的基因讀數，將蛙卵作為製造這些蛋白的細胞工廠。將蛙卵放入稀釋的生理食鹽水中，水過多會使蛙卵迅速膨脹並破裂。

研究人員也嘗試透過阻斷這些細菌蛋白的通道來解除它們的作用。野村重點研究了一類名為PAMAM樹枝狀聚合物的微小球形奈米粒子。這種樹枝狀聚合物在藥物傳輸領域已經使用了二十多年，可以在實驗室中製成直徑精確的顆粒。

他說：”我們當時的假設是，如果我們找到合適直徑的化學物質，也許就能堵住孔隙。”

在測試了不同大小的顆粒後，他們發現了一種他們認為大小正好能堵住由火疫病病原體Erwinia amylovora 產生的水通道蛋白的顆粒。

他們取來能合成這種蛋白質的蛙卵，用PAMAM 奈米粒子澆灌，水就不再流入蛙卵。它們沒有膨脹。

他們也處理了感染病原體丁香假單胞菌的擬南芥植物，這種病原體會導致細菌斑點。通道阻斷奈米粒子阻止了細菌的生長，使植物葉片中的病原體濃度降低了100 倍。

這些化合物對其他細菌感染也有效。研究人員在梨果上做了同樣的實驗，梨果接觸到了導致火疫病的細菌，但梨果從未出現症狀–細菌沒有讓梨果生病。

“這是一個漫長的過程，但它成功了，”他說。”我們對此感到非常興奮。”

研究人員說，這些發現可以為防治許多植物病害提供新的思路。我們吃的食物有80%是植物生產的。然而，全球糧食產量的10%以上–小麥、水稻、玉米、馬鈴薯和大豆等作物–每年都會因植物病原體和害蟲而損失，全球經濟損失高達2,200億美元。

研究小組已就此方法申請了臨時專利。周和共同第一作者、週實驗室的博士生程傑說，下一步要做的是，透過更詳細地觀察通道阻斷奈米粒子和通道蛋白是如何相互作用的，弄清楚這種保護是如何起作用的。

週說：”如果我們能對這些結構進行成像，我們就能更好地理解並設計出更好的作物保護方案。”