在與病原微生物的長期協同進化中，植物構建起多層次防御體系，化學防御是其中抵御入侵的關鍵防線。植保素是植物感知病原后快速合成的小分子抗微生物次生代謝物，可直接抑制、殺滅病原體，是植物化學防御的核心物質。自植保素概念提出80余年來，多數植保素的生物合成途徑與調控機制仍未破解，嚴重限制其在作物抗病中的應用。

德布尼醇（debneyol）是煙草等茄科植物特有的倍半萜類植保素，與經典植保素辣椒醇（capsidiol）共享5-表-馬兜鈴烯（5-EA）前體，且具備更強的廣譜抗真菌活性。自1979年被發現以來，其完整生物合成通路近半世紀始終未被解析，成為植物防御領域的長期難題。

2026年5月8日，清華大學生命科學學院劉玉樂團隊聯合北京大學化學與分子工程學院雷曉光團隊在《細胞》（Cell）期刊在線發表題為“植保素介導植物化學防御的遺傳基礎（Genetic basis of phytoalexin-mediated chemical defense in plants）”的研究論文。清華大學生命科學學院劉玉樂教授、北京大學雷曉光教授及其團隊副研究員高磊博士（現為武漢大學藥學院教授）為本論文的共同通訊作者；清華大學生命科學學院2020級博士研究生王占理、2022屆博士畢業生韓璐和武漢大學高磊教授為論文的共同第一作者。

該研究完整解析并成功重構了植保素德布尼醇（debneyol）的生物合成通路，同時揭示了miR1919-MCD1模塊在該通路中的核心調控作用機制，并進一步證明MCD1可通過組織多酶復合物實現代謝流的精準導向至debneyol合成，顯著增強植物對真菌、病毒和細菌的廣譜抗病能力。上述成果不僅闡明了植保素debneyol介導植物化學防御的遺傳學基礎，也為通過基因工程創制廣譜抗病作物以及利用合成生物學手段規?；a廣譜抗病化合物debneyol奠定了堅實基礎。

圖1：廣譜抗病植保素德布尼醇（debneyol）生物合成與調控

在本研究中，團隊鑒定到一個茄科植物特有的miR1919及其靶基因MCD1。沉默miR1919或過表達MCD1會觸發強烈的植物細胞死亡，并伴隨debneyol的積累。在此基礎上，團隊鑒定到MCD1可與5-EA合成酶（EAS）互作，EAS負責催化法尼基焦磷酸（FPP）環化生成5-EA。進一步發現，MCD1誘導的細胞死亡依賴EAS活性，且MCD1顯著改變5-EA下游代謝產物的分布。農桿菌侵染時另一類倍半萜天然產物capsidiol及其乙?；苌锎罅糠e累，debneyol不可檢測；而MCD1過表達時，debneyol大量積累。這表明MCD1將代謝流從capsidiol分支重定向至debneyol分支。

為闡明其分子機制，研究團隊整合多組學與生化分析，解析了debneyol的完整生物合成路徑：以FPP為前體，依次經EAS、5-EA環氧化酶（EAE）和環氧化物水解酶1（EH1）三步催化生成終產物debneyol。具體而言，EAS催化FPP生成5-EA，EAE將其轉化為(R)-5-EA-11,12-epoxide（5-EA-11,12-環氧化物），隨后EH1進一步水解生成debneyol（圖1）。該研究首次完整解析并在酵母中重構了debneyol從FPP到終產物的三步生物合成通路，解決了自1979年其被發現以來長期未解的生化機制問題。

最令人興奮的發現來自MCD1的作用機制。MCD1不僅轉錄上調EAS、EAE、EH1等基因的表達，更關鍵的是，其還是一個代謝組織者（metabolic organizer），通過組裝EAS-EAE-EH1多酶復合物，增強EAE的催化活性并誘導底物通道效應（substrate channeling），將代謝流從capsidiol分支“重定向”至debneyol分支，從而高效地引導前體5-EA進入廣譜抗病化合物debneyol的合成（圖1）。這一發現拓展了人們對代謝調控的認知: 除了經典的轉錄調控和翻譯后修飾，植物還可以通過代謝組織者的空間組織和活性調節，實現對代謝分支的精準控制。

團隊進一步發現，debneyol的積累與細胞死亡程度及抗病性呈正相關。在MCD1過表達的植物中，debneyol大量合成，植株表現出對病毒（煙草壞死病毒）、真菌（灰霉菌、鏈格孢菌）和細菌（假單胞桿菌）等多種病原體的廣譜抗性。重要的是，利用病原誘導型啟動子TBF1及其上游開放閱讀框（uORFs）驅動MCD1在本生煙草中表達，可在不影響植物正常生長的情況下，實現植物對跨界病原的廣譜抗性。

該研究完整闡明了植保素debneyol的生物合成通路（由EAS、EAE、EH1三步酶促反應構成）及其核心調控機制（通過miR1919-MCD1模塊），揭示了植物化學防御中一個此前未知的遺傳與分子通路，尤其是MCD1作為“代謝組織者”組裝EAS-EAE-EH1多酶復合物，增強EAE的催化活性并誘導底物通道效應，實現代謝流由capsidiol分支向debneyol分支的重定向，從而高效合成廣譜抗病化合物debneyol。這些發現為培育廣譜抗病作物提供了新的基因資源和設計策略，并為通過基因工程創制廣譜抗病作物及利用合成生物學規模化生產debneyol奠定了堅實基礎。

值得一提的是，劉玉樂團隊近年來在植物免疫領域持續取得一系列重要突破。除本項發表在Cell上的研究外，近年來的代表性工作還包括：2025年發表于Nature的研究，開創性地提出并建立了人工設計植物抗病基因的全新策略——通過將病原蛋白酶識別切割位點與自激活NLR免疫受體融合，使植物能夠對多種馬鈴薯Y病毒屬病毒實現完全免疫，賦予其“超廣譜”抗性（預測可抵御100余種植物病毒），并有望拓展為抗病毒、細菌、真菌、卵菌、線蟲及刺吸式昆蟲等多類病蟲害的通用策略；2023年發表于Nature的研究揭示了水楊酸甲酯（MeSA）介導的植物氣傳性免疫機制，鑒定了氣態MeSA受體SABP2，闡明了植物通過揮發性化合物實現“預警”通訊的分子基礎；2021年發表于Cell Host & Microbe的研究首次將鈣信號與抗病毒RNAi聯系起來，發現植物可通過感知病毒入侵誘導的鈣流來增強RNAi抗病毒反應，揭示了一條全新的免疫調控通路。上述系列成果從免疫機制解析（植物化學防御、群體免疫和植物抗病毒RNAi）與免疫受體工程化等多個層面系統深化了對植物免疫的認識，為培育具有廣譜抗性的作物提供了堅實的理論基礎與技術路徑。

https://doi.org/10.1016/j.cell.2026.04.021