植物源多肽：从鉴定到农艺应用的绿色农业新策略

《Molecular Plant》：Plant-derived peptides: from identification to agronomic applications

为解决化学农药过度使用带来的环境与健康风险，研究人员系统探讨了植物源多肽（Phytopeptides）作为生物农药/生物刺激素（BioP&S）的开发策略。文章整合了多组学鉴定、人工智能设计、合成生物学制造及生态评估等多维度技术，提出了从实验室到田间应用的系统性创新框架，为可持续农业发展提供了新路径。

　　

随着全球农业对化学农药的过度依赖，粮食安全生产与生态环境可持续性正面临严峻挑战。长期大量使用化学农药不仅导致害虫抗药性增强，更对土壤健康、水源安全及非靶标生物构成威胁，形成“农药残留-环境恶化-健康风险”的恶性循环。在这一背景下，开发高效、安全、可降解的绿色农用制剂成为国际农业生物技术领域的共识。植物源多肽（Phytopeptides）作为植物体内天然存在的信号分子，因其具有调控生长发育、增强抗逆性及直接抑制病原菌等多重功能，且具备生物相容性高、靶向性强、易降解等优势，被视为下一代生物农药与生物刺激素（BioP&S）的理想候选者。然而，其产业化应用仍面临肽库多样性探索不足、生产成本高昂、环境风险评价不完善以及田间应用场景模糊等多重瓶颈。为此，研究人员在《Molecular Plant》上发表了系统性综述，旨在构建一个从肽分子发现到田间落地的全链条创新框架，推动植物源多肽在可持续农业中的实际应用。

为系统推进植物源多肽的研发与应用，本研究综合运用了多组学整合分析技术（包括转录组学、蛋白质组学、肽组学及核糖体图谱测序）、人工智能驱动的肽序列挖掘与功能预测模型、合成生物学优化微生物底盘细胞（如大肠杆菌、毕赤酵母）的高效表达系统、纳米材料介导的肽递送技术，以及基于生态毒理学和土壤微生态学的安全性评估体系。

植物源多肽的鉴定策略

植物内源肽通常丰度极低，传统质谱检测难度大。研究指出，通过优化质谱样品前处理流程（如降低有机溶剂浓度、调整液相色谱梯度）并结合非特异性酶切策略，可显著提升肽的检出覆盖度。此外，整合RNA-seq、Ribo-seq与质谱数据能有效鉴定源自非典型编码区（如内含子、UTR、基因间区）的非经典肽（NCPs）。例如，在玉米六个组织中通过该方法鉴定了9,388个小开放阅读框（sORF）。生物信息学算法的革新，如利用隐马尔可夫模型（HMM）和多步注释流程，对蒺藜苜蓿基因组进行重注释，新发现了2,455个编码小分泌肽的基因。人工智能技术，如基于Transformer或门控循环单元（GRU）的模型，已开始用于抗菌肽（AMP）的高通量筛选，效率提升超10倍。然而，针对功能多样性植物肽的AI预测仍需更多肽生物合成与翻译后修饰（PTM）机制的数据支持。

肽BioP&S的理性设计

肽的功能依赖于其与特异性受体的相互作用。通过对肽关键序列模体进行定点饱和突变、截短分析，并结合肽-受体共晶结构进行AI分子对接模拟，可实现肽功能的精准调控。例如，CLE肽家族中B型肽第11位的丝氨酸残基是其功能特异性的关键决定因子，通过该位点的突变可设计出兼具A型和B型活性的双功能嵌合肽。针对肽易降解、透膜性差的问题，纳米载体（如二氧化硅、壳聚糖、木质素提取物）的功能化修饰可显著增强肽的环境稳定性及靶向递送效率。细胞穿膜肽（CPP）融合表达系统的开发，进一步提升了活性分子进入植物细胞的效率。

植物源多肽的生物制造

目前肽的化学合成（SPPS）成本高昂且使用危险化学品，制约其大规模农业应用。合成生物学为低成本生产复杂PTM肽提供了新途径。原核系统（如枯草芽孢杆菌）已成功用于分泌马铃薯源StPEP1，产量约12.89 μg/L。真核系统如毕赤酵母表达烟草NtCLE3，成本可降至0.9美元/升，远低于SPPS的360美元/克。植物生物反应器系统（如本氏烟）因其具备真核PTM机制和生物安全性，在表达抗菌肽（AMP）方面显示出潜力。通过启动子优化、密码子优化、蛋白酶基因敲除及代谢通路工程（如调控未折叠蛋白反应UPR通路），可显著提升肽产量。机器学习辅助的多重实验和AI驱动的无细胞系统，能在24小时内实现活性肽的低成本合成与测试，大大加速了研发进程。

肽BioP&S的生态影响

生态安全评估是肽BioP&S应用的先决条件。评估包括对人体健康的急性毒性、致敏性、慢性/亚慢性毒性、致畸性、致癌性、生殖毒性，以及对环境的自然降解率、鸟类毒性、水生生物毒性、非靶标节肢动物毒性和土壤生物群影响。已有案例表明，如Vestaron公司的杀虫肽U1-AGTX-Ta1b-QA对人体急性毒性极低，获准免于环境残留检测，采收间隔期为零天。植物健康护理公司的harpin蛋白类生物农药也因无急性毒性和快速环境降解，获免多项毒性测试。肽作为植物-微生物互作的关键信号分子，能通过调控水杨酸（SA）等途径选择性富集有益根际微生物，建立增强后续作物免疫的“土壤遗产”效应。

肽BioP&S与种质资源的协同创新

作物生长与抗逆通常存在权衡关系。外源施加工程化肽BioP&S可在特定发育窗口期实现生长-防御的时序调控。不同生态型/品种对微生物源肽（如flg22, csp22）和植物内源肽（如SYS）的响应差异主要源于受体系统和信号通路的遗传多样性。泛基因组学和全基因组关联分析（GWAS）为评估和设计与优良品种兼容的肽BioP&S提供了高分辨率遗传变异图谱。通过对肽信号转导核心组分（如模式识别受体PRRs）进行遗传操作（如异源过表达、基因编辑启动子区以调控表达量），或敲除负调控因子（如PP2C磷酸酶），可增强作物对肽的敏感性及农艺性状。例如， CRISPR/Cas9编辑番茄SlCLV3启动子可实现心皮数的连续变异；敲除PP2C5可在施加flg22下增强免疫反应且不影响生长。

肽BioP&S的田间应用

目前多数肽研究仍在实验室或温室条件下进行，田间试验数据相对缺乏。在柑橘黄龙病（HLB）感染的果园进行的4个月田间试验表明，树干注射APP3-14肽能有效控制HLB感染，降低发病率，促进新梢生长。在模拟田间条件的室外实验中，叶面喷施重组NtCLE3比易光解的ABA赋予更强的抗旱性。商业化产品如源自蝶豆花的天然环肽杀虫剂Sero-X?已成功用于棉花和澳洲坚果的害虫防治。为降低经济成本，肽BioP&S与化学农药的集成应用是一种实用策略，但需注意可能的负交互作用。人工智能赋能的传感器网络可实现作物生长状态实时监测和肽的精准投放，使肽BioP&S成为下一代智慧农业诊断-递送-管理范式的核心组成部分。

本研究系统阐述了植物源多肽作为新型BioP&S从发现到应用的全链条策略。面对化学农药抗性加剧、研发周期长、成本高的困境，肽类制剂凭借其生物可降解性、靶向特异性及多功能性展现出巨大潜力。通过整合多组学、人工智能、合成生物学、纳米技术和精准农业等前沿技术，有望突破肽多样性探索、低成本生产、生态安全评估和田间应用效能等关键瓶颈。未来，随着算法进步、数据集扩大和技术融合，肽BioP&S有望与优良种质资源协同，在保障粮食安全的同时，最小化生态风险，推动农业向更加可持续的方向发展。