一百多年来，人类与这种“植物瘟疫”的较量从未停止。在《自然》杂志发表的Plug-in strategy for resistance engineering inspired by potato NLRome研究，提出一种名为“插件”的抗病基因工程新策略。这项研究的起点，是对52份野生和栽培马铃薯基因组的系统挖掘。

马铃薯的天然“哨兵”

马铃薯并非毫无防备。它的细胞中存在一类名为NLR蛋白的免疫受体，可识别入侵的病原体效应子，触发局部细胞死亡，从而阻止病害扩散。

然而，致病疫霉变异速度快，单一抗病基因大面积应用后，通常3-5年即被攻克。传统育种依赖种间杂交和回交转育，周期长、效率低，难以跟上病原菌的进化步伐。

构建马铃薯抗病基因“百科全书”

研究团队首先对7份高抗晚疫病的野生马铃薯进行三代测序，组装出高质量基因组。随后整合已发表的44份马铃薯及1份参考基因组，构建了覆盖茄科管薯组全部主要谱系的52份材料数据集。

基于这一数据集，团队系统注释出39,211个NLR抗病基因，绘制出首个马铃薯“NLRome”。这份图谱不仅呈现了抗病基因的分布与拷贝数变异，还揭示了I型与II型NLR截然不同的进化模式：

I型NLR：拷贝数高、变异快，主要识别快速进化的卵菌、病毒、线虫；

II型NLR：拷贝数稳定、保守性强，主要识别细菌、真菌。

这一分类为此后抗病基因挖掘提供了明确的进化线索。

三条路径，三个新基因

基于上述图谱，研究团队采用三种策略，克隆到三个功能各异的抗晚疫病基因。

策略一：跨物种同源挖掘

龙葵（Solanum americanum）是晚疫病的非寄主植物，携带强效抗病基因Rpi-amr3，但与马铃薯存在生殖隔离，无法直接利用。团队在NLRome中发现，Rpi-amr3的同源序列存在于墨西哥野生种心叶马铃薯（S. cardiophyllum）中，并成功克隆得到Rpi-cph1。转基因实验表明，该基因依赖NRC辅助NLR激活免疫，对多个晚疫病菌株具有抗性。

策略二：效应子导向的GWAS

研究团队利用213个晚疫病菌效应子筛选101份野生马铃薯，获得对效应子PITG_04085发生过敏性坏死反应的个体。通过全基因组关联分析，定位到一个TIR-NLR型抗病基因——Rpi-cjm1。这是马铃薯中首次克隆的TIR-NLR型晚疫病抗病基因。机制研究表明，其激活依赖EDS1与NRG1通路，并产生小分子信使2’cADPR。

策略三：整合结构域演化追踪

3.8%的NLR携带非典型整合结构域（ID），其中最常见的是重金属相关结构域（HMA）。团队追溯94个茄科物种的演化历史，发现NLR-HMA起源于马铃薯祖先的一次古老整合事件，在番茄等近缘种中已丢失，但在马铃薯中保留并发生正选择。

进一步筛选12个NLR-HMA基因，获得来自布卡蒂马铃薯（S. burkartii）的Rpi-brk1。该基因通过C端HMA结构域直接结合晚疫病菌效应子AVRbrk1，依赖NRC辅助蛋白触发免疫。结构解析与点突变实验证实，HMA结构域α1、α2螺旋上的7个氨基酸残基是结合所必需。

“插件”策略：让失效的基因重新工作

上述发现提示：HMA结构域是一个可移植的识别模块。

研究团队将其从Rpi-brk1中取出，融合至已广泛推广、但因AVR1变异而部分失效的抗病基因R1的C端。

改造后的R1-HMAbrk1获得双重功能：既保留对AVR1的识别能力，又获得对AVRbrk1的新识别能力。转基因马铃薯验证，该工程基因对多个突破原始R1的晚疫病菌株恢复抗性。

这一策略被命名为“插件”策略——将进化赋予特定基因的识别模块，移植至其他框架基因，从而快速扩展抗病谱。

1845年的马铃薯饥荒，是人类与植物病害较量的悲剧缩影。一百八十年来，我们从被动选择走向主动设计。这不是对自然的模仿，而是对自然语言的翻译。