研究背景

　　在植物的生命世界中，存在着一类微小而强大的信使分子 — 小信号肽(small signaling peptides)。它们如同植物体内的“微型激素”或“免疫信号弹”，在细胞间穿梭，精准调控着生长、发育、繁殖以及对环境胁迫的响应等一系列核心生命过程。尽管功能多样，从形态建成到防御反应，这些小信号肽却不约而同地展现出一个显著特征：它们的尺寸普遍非常小，成熟后通常由少于50个氨基酸组成。这种在尺寸上的趋同进化引出了一个根本性的科学问题：是什么样的演化压力和物理化学限制，共同塑造了植物信号肽“小而精”的分子形态?这一问题不仅关乎我们对植物信号传导基本原理的理解，也对未来设计新型、高效的生物农药具有重要的指导意义。

　　论文概要

　　针对这一问题，江西省、中国科学院庐山植物园的刘小坤团队、刘毅团队与北京大学现代农学院的侯书国团队在国际著名的植物期刊《Plant Communications》(一区，IF=11.6)上发表了题为“The size of apoplastic peptides: do cell wall matrix and cell-surface receptors matter?”的观点文章，首次提出了决定植物信号肽大小的两个关键制约因素，并分析了其尺寸演化背后的物理化学原理。文章指出，植物信号肽的理想尺寸是一个精妙的平衡点，它由两个连续的“过滤器”共同决定：一是其在细胞质外体内自由移动的能力，必须能有效穿透细胞壁基质构成的物理屏障;二是其与细胞表面受体结合的兼容性，必须具备精确的三维结构以激活下游信号。

　　第一道关卡：细胞壁的“尺寸筛”

　　植物中大多数内源性小肽被分泌到质外体(apoplast)——即细胞膜以外的连续空间，以非细胞自主的方式发挥信号传递作用。因此，在被细胞表面的受体感知之前，这些肽类信使必须首先成功穿越横亘在它们面前的第一道物理屏障——细胞壁。细胞壁并非一道密不透风的墙，而是一个由纤维素微纤丝、半纤维素和果胶等多种聚合物交织而成的、高度水合的多孔网络。这个网络的有效孔径通常在5到20纳米(nm)之间，构成了一个天然的物理过滤器。 文章作者通过整合公共数据库和结构预测模型(AlphaFold)，分析了多种代表性小肽的三维结构，发现它们的流体动力学直径大多集中在1.4-5.0 nm的范围内。这个尺寸恰好能够让它们相对自由地穿过细胞壁的孔隙网络。实验证据也强有力地支持了这一观点：例如，作为一种经典的免疫诱导子，22个氨基酸的flg22小肽所诱导的免疫反应强度，要显著高于将其与一个大蛋白(GST)融合后形成的flg22-GST融合蛋白。这清晰地表明，分子尺寸是决定肽在细胞壁中扩散效率的关键因素，尺寸越小，移动越快，信号传递越高效(图1A)。因此，细胞壁就像一个“低通滤波器”，它为能够自由移动并有效发挥生物活性的信号肽设定了一个事实上的尺寸上限。

　　第二道关卡：受体的“精准锁”

　　成功穿越细胞壁后，信号肽还需完成其最终使命——与细胞膜表面的特异性受体(通常是受体样激酶RLKs或受体样蛋白RLPs)结合，从而激活细胞内的信号级联反应。这种肽-受体的相互作用通常遵循一种“分子胶水”(molecular glue)模型：小肽自身并不直接传递信号，而是像一滴胶水一样，精准地粘合一个主受体和一个共受体，促使它们形成一个稳定的二聚体复合物，进而激活其下游的信号通路。 这种精密的识别机制对肽的尺寸和三维结构提出了极为苛刻的要求，构成了一个“带通滤波器”，即肽的尺寸既不能太大，也不能太小(图1B)。尺寸过大的后果：空间位阻与错位，如果肽的长度超过了其最佳尺寸，例如那些未被完全加工成熟的前体肽，它们往往会因为空间位阻而无法顺利嵌入受体复合物的配体结合槽中。过长的肽链可能导致关键的氨基酸残基无法与受体上的对应位点精确对齐，从而大大降低结合亲和力，甚至完全无法结合。结构生物学研究已经证实，过长的肽链会损害其结合特异性，使其成为无效的信号分子。尺寸过小的后果：功能基序丢失与竞争性抑制反之，如果肽被过度剪切，变得比其活性形式更短，那么它很可能会丢失与受体相互作用所必需的关键氨基酸基序。例如，植物免疫肽AtPep1的活性依赖于其完整的C端结构;而flg22肽如果被某些蛋白酶过度降解，也会失去其免疫激活功能。更糟糕的是，这些过短的肽段有时虽然失去了激活受体的能力，但仍可能占据受体的结合位点，像一把“假钥匙”插在锁孔里，从而阻止了正常的信号肽与之结合，扮演起竞争性抑制剂的角色，最终阻断了信号通路。

　　全文总结与展望

　　综上所述，本文提出了一个优雅的双重制约模型，完美解释了为何植物信号肽普遍偏好于一个狭窄的尺寸范围(通常小于50个氨基酸，流体动力学直径在1-5 nm之间)。它们必须首先通过细胞壁的“尺寸筛”，这要求它们足够小以保证高效的扩散;紧接着，它们还必须通过受体的“精准锁”，这又要求它们的尺寸和构象必须恰到好处，以确保特异性结合和有效激活。正是在这两重关卡的协同筛选下，植物在漫长的演化历程中，最终选择了一个“最佳平衡点”(evolutionary sweet spot)，使得信号肽能够在保证信号传递效率的同时，兼顾信号的特异性和精准性。 这一理论框架不仅为我们理解植物肽类信号家族的多样性演化提供了统一的视角，也为合成生物学和现代农业应用指明了方向。未来，在设计用于调控作物生长或提高抗性的合成生物活性肽时，必须将其尺寸和结构严格控制在这一“最佳平衡点”内，才能确保其应用效果。当前，该领域面临的挑战主要在于如何提高合成肽的递送效率、增强其在田间的稳定性(抵抗蛋白酶降解)以及降低生产成本。随着肽化学、结构生物学和纳米技术的不断融合与发展，我们有理由相信，这些基于理性设计的“绿色农化产品”将在未来的可持续农业中发挥越来越重要的作用。

　　研究团队与资助

　　江西省、中国科学院庐山植物园的刘小坤为本文的第一作者和主通讯作者，刘毅为共同第一作者。北京大学现代农学院的侯书国教授为共同通讯作者。本研究得到了江西省自然科学基金、江西省“双千计划”项目、中国科学院重点部署项目、江西省重点研发计划以及国家自然科学基金面上项目等的支持。

　　文章链接：DOI: https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.101740