那个曾被国科大校长点赞的团队，又登上顶刊了
谈及刚刚发表在《细胞》的成果，郭广昊连称“没想到”：“没想到会做出这样的成果，没想到自己原来揣了块宝。”
目前，郭广昊正在中国科学院遗传与发育生物学研究所（以下简称遗传发育所）研究员刘志勇团队做博士后。从攻读硕博学位至今，他已经在这个团队度过了11个春秋，其间曾远赴英国访学。
在3月20日发表的新成果中，他与中、英导师和国内外的同事们一起揭开了植物“过度免疫”机制的面纱。这其实是郭广昊为博士毕业准备的一个“备胎”项目，如今距离他开始这项研究已经过去整整七年。其间，他曾走走停停，甚至将其搁置了三年，最后在多方合作下才算修成正果。
无心插柳柳成荫。《中国科学报》采访了郭广昊和导师刘志勇，听他们讲述了这项研究的意义以及“备胎转正”背后不为人知的故事。
选个“病态”小麦做“备胎”
事情要回溯到2018年春天。彼时，在遗传发育所位于河北高邑的小麦试验田里，几千行经过诱变处理的小麦材料正在生长——有的株高变矮、有的叶片变黄、有的叶片卷曲……突变表型五花八门、形态各异。它们是刘志勇为改良具有超高产潜力的骨干品系“中科331”而布下的一局棋。
“对这个品系进行诱变，是为了在高产的基础上，提高它的抗病性。”刘志勇向《中国科学报》介绍说。
彼时，跟着刘志勇攻读博士学位的郭广昊主攻的课题是解析小麦抗白粉病基因Pm5e的抗性机制。这种病是小麦顽疾，中国每年受其影响的小麦面积达到约1亿亩，重病田甚至会减产40%。那时，他的研究进展并不顺利。
“我想在毕业时讲出一个完整精细的故事，于是决定去找一个‘备份’课题。”郭广昊回忆道。
新课题来自哪里呢？通常，育种家们关注的都是试验田里表现优异的小麦，那意味着其后代性状也会更好。但郭广昊的目光却被试验田里一株“病态”小麦吸引了：这株突变体小麦确实提高了白粉病抗性，但其植株矮小、叶片自发坏死。凭直觉郭广昊觉得这可能与植物的“过度免疫”反应有关。
在生物学研究领域，植物如何维持和调控自身免疫能力，同时避免过度免疫，是一个备受关注的热点和难点问题。
2020年，郭广昊克隆了让小麦叶片坏死的基因WAI3。不过，随后这个“备胎”研究就被搁置了。一方面，他的主课题有了转机；另一方面，他觉得只发现一个基因在科学新意上尚显单薄。
这一放，就是两年。
2023年5月至2024年7月，在刘志勇的大力支持下，郭广昊入选“中国科学院青年科技人才中长期出国培训专项项目”，奔赴英国塞恩斯伯里实验室访学，师从植物免疫界学术泰斗Jonathan Jones，继续聚焦抗白粉病基因Pm5e机制研究。
在那里，郭广昊遇到了同样毕业于遗传发育所的博士后赵赫，两人很是投缘。他们的实验台紧挨着，经常一起探讨科研问题。一次讨论中，郭广昊提及了那个被他搁置的WAI3基因。
“师兄，有没有兴趣一起做一做？”郭广昊发出了邀请后，两人一拍即合，在中英两国导师的共同指导下，开始跨国联合攻关。
郭广昊（左）、Jonathan D.G. Jones（中）和刘志勇（右）。受访者供图
推开免疫“新窗”
塞恩斯伯里实验室位于英国最东边的城市诺维奇，经常天气阴沉，阴雨连绵。实验室里，英国学生很少加班，每天待到最后的经常是中国学生，郭广昊和赵赫的身影就在其中。
很多时候，他们会一边听着雨声，一边在实验台前“闯关”。
基因表达的“流量控制”是个难题。WAI3是一个自激活型免疫受体，其氨基酸突变使蛋白持续处于开启状态，在转基因实验功能验证阶段，会不断触发免疫反应导致细胞死亡。
“我们最开始用的是强启动子，相当于把‘阀门’开到最大。本意想让基因多表达，性状更容易出现，结果发现植株坏死得太快了，拿不到成活的麦苗。”郭广昊解释，由于DNA被高强度转录为RNA，RNA再大量翻译成蛋白，免疫反应被持续放大，幼苗还没长出来就已被过度免疫杀死。
为此，他们调整策略，改用WAI3基因自身启动子，降低表达强度，将“阀门”拧小，最终让植株存活到可观测阶段。
更大的挑战来自蛋白质提纯。结构解析需要高纯度、构象一致的蛋白质，但WAI3编码的受体蛋白极不稳定且易聚集。他们在茄科植物——本生烟中不断优化提取与纯化条件，改进蛋白表达的策略，终于把这一步做成了。
论文共同作者（从右至左分别为：郭广昊、赵赫、德国马普学会生物化学研究所博士后Muniyandi Selvaraj）。
实验室中用于蛋白表达的本生烟。胡彬雅摄
在植物与病原微生物的长期博弈中，免疫受体NLR扮演着关键角色。过往研究表明，激活后的部分NLR可分别形成五聚体、六聚体等抗病小体，并引发细胞质内的钙离子内流，启动免疫反应。但一些特殊免疫受体——G10类型的NLR的激活和作用机制仍然未知，限制了该蛋白的有效利用。研究发现，WAI3基因编码CCG10-NLR蛋白，为了解这类蛋白的抗病机制提供了机会。
冷冻电镜下分析显示，激活后的WAI3形成了一个由八个单体组装而成的“八聚体”结构，这一结构位于细胞膜，形成类似一个“通道”的复合体。郭广昊解释道：“可以把细胞想象成一个房间，膜上有很多窗户。正常情况下窗户是关着的，但WAI3像一个失控的开关，让‘窗户’一直敞开，钙离子不断灌入，从而持续触发免疫反应。”基于此，他们揭示了植物免疫系统过度激活的机制。
“我们的研究相当于提供了G10类型NLR发挥免疫机制的新证据。”他补充说。
“长期以来，因其基因组复杂和多倍体等特性，小麦的基础研究落后于模式植物。但近年来，小麦生物学研究中许多新的发现为植物学研究提供了新的‘模式’。”刘志勇说。
研究团队还将视角延伸到了拟南芥中的同源蛋白RPS2。他们发现WAI3与RPS2在进化上属于同一个家族，RPS2在激活后同样可形成八聚体抗病小体结构，引发钙离子内流，表明G10类型NLR抗病蛋白的作用机制在不同植物中具有高度保守性。
《细胞》国际审稿人认为，该研究极具创新性，将八聚体抗病小体确立为NLR生物学中的新范式，充实了当前已知的、数量有限的NLR抗病小体结构库，拓展了人们对植物免疫受体多样性与可塑性的认知。
深耕田垄，扎实研究
从遗传发育所咖啡厅到植物温室，34岁的郭广昊用最平实的语言叙述着研究历程。“我始终觉得，这（发顶刊）是一种运气。”他笑言。
其实，这背后还有很多不为人知的艰辛。郭广昊从研究生起就做小麦，他羡慕过做水稻的同学，因为小麦基因组复杂程度远超水稻，出成果速度也远不如水稻。“有时，难免感到痛苦，比如读博期间的抗白粉病基因Pm5e的研究投稿时被拒了四五次，心里特别难受。”他回忆说。
四年前，郭广昊博士毕业时曾因科研任务，滞留在高邑小麦基地，缺席了毕业典礼。他和导师刘志勇以及同门师兄弟在金色麦田里的合照，则受到时任国科大校长、中国科学院院士李树深的点赞。李树深曾寄语毕业生们：“希望做一粒种子，向下生根、向上生长。”
郭广昊（左二）与导师刘志勇（右二）以及同门师兄弟。
在搁置WAI3抗病小体研究的那两年，郭广昊也曾“生怕这个发现被别人抢先发表了”，也动过见好就收的念头：“如果只停留在发现基因导致特定性状的阶段，也能算个小成果。但我总觉得应该再坚持往后做一做。”
这种“为难”自己的态度，最终给他带来了不一样的收获。
回顾来路，郭广昊由衷感谢自己遇到了“两位好导师”。他们并未局限于某个预设的课题，而是给予了他自由探索的空间，提供了良好的科研平台与稳定的资金支持，并在关键的实验思路上给予了点拨。他们的包容与支持，最终促成了这次突破。
两位导师对他的影响更体现在科研理念和态度上。“他们始终强调科研方向的专注，坚持围绕植物免疫领域深耕，反对‘东一榔头西一棒子’的浅尝辄止。”郭广昊说，“从他们身上我学到最多的就是遇到问题切勿轻言放弃，要多尝试、多探索，坚持下去总会找到解决之道。”
刘志勇深耕小麦研究多年，他带领团队在过去十年间克隆了14个小麦抗病基因，约占全世界克隆总量的五分之一。“可以说，我们在这一领域处于国际领先地位。”他对《中国科学报》自豪地说。
在刘志勇看来，做农业研究，需要坚持“两条腿走路”——深耕基础研究的同时，让成果落地。“现在找到了WAI3这个基因，搞清楚了它自激活过度免疫的原理，就可以利用AI辅助设计进行定点氨基酸突变，创制出具有抗病特性，但不过度激活免疫的新抗病蛋白，同时保持高产特性。”他说。
未来，这个小麦抗病全球领先的课题组还有一个目标：精准智能设计出更多抗病高产品种，减少农药依赖，在国际基因资源竞争中占据高地，为保障粮食安全和老百姓的健康出一份力。（本文图片除注明外均由受访者提供）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.02.024
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