“又餓又渴！”當(dāng)你“感知”到周圍既沒有食物也沒有水，你的身體會調(diào)動(dòng)儲備來應(yīng)對這窘迫的局面。其實(shí)，這對植物來說也是一種“基操”。
8月11日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/未來作物精準(zhǔn)育種基礎(chǔ)研究卓越中心/嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室教授儲成才團(tuán)隊(duì)在國際期刊《細(xì)胞》（Cell）上發(fā)表了一項(xiàng)突破性研究成果，揭開了植物應(yīng)對多種逆境條件的“生存智慧”。原來，植物體內(nèi)有一種叫NRT1.1B的蛋白，就像一個(gè)“智能開關(guān)”，能同時(shí)感知土壤中的“食物”（氮元素）和干旱（逆境信號），幫植物做出最優(yōu)生存選擇。
氮高效品種水稻的田間試驗(yàn)。受訪者供圖
論文審稿人認(rèn)為，這是“一項(xiàng)令人興奮且期盼已久的工作，將會對植物生物學(xué)乃至更多研究領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響”，“大大推進(jìn)了我們對植物營養(yǎng)狀態(tài)如何影響逆境耐受的理解”。
面對復(fù)雜自然環(huán)境，植物究竟如何感知
植物在大自然中生存其實(shí)很不容易。論文共同通訊作者儲成才向《中國科學(xué)報(bào)》解釋，植物不僅要面對干旱、高溫等惡劣環(huán)境，還得時(shí)刻“操心”如何從土壤中獲取足夠的養(yǎng)分。很多時(shí)候，“缺營養(yǎng)”和“遇逆境”會同時(shí)發(fā)生——比如干旱時(shí)土壤里的氮元素往往也很匱乏。
實(shí)際上，適應(yīng)復(fù)雜多變的自然環(huán)境既是植物生存的永恒主題，也是農(nóng)作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)糧食安全的重要前提。季節(jié)性降水變化導(dǎo)致的干旱以及礦質(zhì)元素不均勻分布導(dǎo)致的養(yǎng)分缺乏是植物面對的高頻逆境脅迫，且多數(shù)情況下這兩種脅迫會同時(shí)存在。
“植物如何整合復(fù)雜環(huán)境信號是深入理解植物生存智慧的關(guān)鍵內(nèi)容，也是創(chuàng)制兼具養(yǎng)分高效利用與逆境抗性的未來作物新品種的理論基礎(chǔ)。”儲成才說，然而，目前的研究主要針對單一信號的感知與應(yīng)答，對復(fù)雜環(huán)境信號整合機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)認(rèn)知。
另一方面，全球氣候變化導(dǎo)致高溫、干旱等極端天氣頻發(fā)，過量化肥使用導(dǎo)致環(huán)境污染，都對水稻種植提出了新的挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院院士、崖州灣國家實(shí)驗(yàn)室主任李家洋表示，培育“節(jié)水減肥”的“資源高效型”水稻新種質(zhì)是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。深入理解植物對不同環(huán)境信號應(yīng)答及整合的工作機(jī)制有望為“資源高效型”水稻育種帶來重要契機(jī)。
論文共同通訊作者、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院教授胡斌告訴《中國科學(xué)報(bào)》，在植物世界里，有一類叫“脫落酸（ABA）”的物質(zhì)堪稱“逆境警報(bào)器”。當(dāng)植物遇到干旱等困難時(shí)，脫落酸會迅速增加，通過調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉、減緩生長等方式幫植物節(jié)省能量、抵抗逆境。一直以來，科學(xué)家們認(rèn)為脫落酸主要是在植物細(xì)胞內(nèi)被感知的，就像在細(xì)胞里裝了“警報(bào)器”。
綠色的是氮高效改良品種，發(fā)黃的是氮低效品種。受訪者供圖
而氮元素是植物生長必需的“營養(yǎng)餐”，土壤中氮的多少直接影響植物的生長狀態(tài)。植物根系里有一類叫NRT1 的蛋白家族，是植物中最早被鑒定的一類硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，目前對該家族成員功能的認(rèn)知主要集中在對氮利用的調(diào)控作用，也就是專門負(fù)責(zé)“探測”吸收土壤中的氮元素（尤其是硝酸鹽），就像一個(gè)“營養(yǎng)探測器”。
此前，科學(xué)家對“逆境警報(bào)器”脫落酸和“營養(yǎng)探測器”NRT1蛋白家族都分別進(jìn)行過深入研究，已經(jīng)大體了解它們各自的功能和分子機(jī)制。但科學(xué)家沒料到的是，二者竟然有著直接的密切聯(lián)系。
“營養(yǎng)探測器”還能當(dāng)“逆境警報(bào)器”
植物生長的自然環(huán)境其實(shí)是很復(fù)雜的，以土壤為例，土壤中不僅包含了各種元素、水分，還有各種細(xì)菌、病毒等微生物。
那么，植物究竟是如何同時(shí)處理這些復(fù)雜信號，在“找飯吃”和“抗風(fēng)險(xiǎn)”之間找到自身平衡從而存活下來的呢？
“要想了解植物如何響應(yīng)復(fù)雜的自然環(huán)境，就得要盡量模擬自然環(huán)境。”儲成才說，在自然環(huán)境中，土壤里的氮元素通常很匱乏，一般低于1毫摩爾/升，而過去科學(xué)家們在實(shí)驗(yàn)室研究時(shí)，常用培養(yǎng)基中氮含量高達(dá)60毫摩爾/升，遠(yuǎn)高于自然狀態(tài)。
“讓植物回歸自然狀態(tài)，會出現(xiàn)什么情況？”儲成才團(tuán)隊(duì)打算去驗(yàn)證這個(gè)想法。
胡斌說，他們選擇了NRT1.1B這個(gè)水稻中關(guān)鍵的“氮探測器”作為研究對象，它能直接感知外界氮元素的多少并啟動(dòng)相應(yīng)反應(yīng)。
他們給水稻分別營造了低氮環(huán)境和高氮環(huán)境。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低氮環(huán)境下，水稻對脫落酸的反應(yīng)非常強(qiáng)烈，大量抗逆境基因會被激活；但在高氮環(huán)境下，這種反應(yīng)會被顯著抑制——受脫落酸激活的基因數(shù)量還不到低氮環(huán)境的30%。
“這說明，植物確實(shí)能根據(jù)氮營養(yǎng)的多少，調(diào)整對逆境的‘敏感度’。”胡斌說。原來，NRT1.1B不只是“氮探測器”，它還有隱藏技能——直接“捕捉”脫落酸。
氮高效品種的大田種植表現(xiàn)。受訪者供圖
通過一系列精密的實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)NRT1.1B與的脫落酸結(jié)合能力很強(qiáng)，甚至是它結(jié)合氮元素能力的1000 倍左右。儲成才說，這意味著，當(dāng)環(huán)境中的“食物”氮元素不足時(shí)，NRT1.1B會更傾向于“接收”脫落酸的信號，優(yōu)先啟動(dòng)抗逆境程序。
“NRT1.1B有望成為精準(zhǔn)操控養(yǎng)分高效利用與逆境抗性的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。”李家洋說，這項(xiàng)工作代表了復(fù)雜環(huán)境信號感知與整合分子機(jī)制研究的突破性與前瞻性成果，有望為“資源高效型”水稻種質(zhì)創(chuàng)新提供關(guān)鍵理論支撐。
“信號傳導(dǎo)鏈”：從感知到行動(dòng)
那么，NRT1.1B是如何把“氮信號”和“逆境信號”整合起來的呢？研究團(tuán)隊(duì)找到了一條完整的“信號傳導(dǎo)鏈”。
原來，除胞內(nèi)受體外，細(xì)胞膜上同樣存在感知ABA的受體。
論文共同通訊作者、南方科技大學(xué)副教授龔欣解釋說，他們的研究發(fā)現(xiàn)，植物細(xì)胞里有一種叫SPX4的蛋白，像個(gè)“攔路虎”，會阻止一類叫NLP4的“傳令兵”進(jìn)入細(xì)胞核。當(dāng)NRT1.1B感知到脫落酸后，會“招募”SPX4，讓SPX4不再阻攔“傳令兵”。這樣一來，“傳令兵”就能順利進(jìn)入細(xì)胞核，啟動(dòng)一系列抗逆境基因的表達(dá)，幫植物應(yīng)對困難。
更關(guān)鍵的是，氮元素和脫落酸會“競爭上崗”結(jié)合NRT1.1B：當(dāng)土壤中氮充足時(shí)，氮元素會占據(jù)NRT1.1B，讓它更專注于調(diào)節(jié)氮的吸收利用，此時(shí)植物更傾向于生長；而當(dāng)?shù)獏T乏又遇到逆境時(shí)，脫落酸會“搶過”結(jié)合位點(diǎn)，讓NRT1.1B啟動(dòng)抗逆境程序，幫植物“保命”。
NRT1.1B蛋白的這種“雙受體”功能，讓植物能根據(jù)環(huán)境靈活切換“生長模式”和“抗逆模式”。“這種機(jī)制在植物界很普遍：擬南芥、玉米、小麥等植物中，類似NRT1.1B的蛋白都有這種‘雙感知’能力，說明這是植物在長期進(jìn)化中形成的‘生存智慧’。”儲成才說。
此外，田間實(shí)驗(yàn)顯示，在低氮加干旱的雙重壓力下，NRT1.1B 能幫水稻維持產(chǎn)量。這意味著，通過改造NRT1.1B，未來可能培育出既耐干旱、又能高效利用氮元素的作物新品種——它們不需要太多化肥，也能在逆境中高產(chǎn)，真正實(shí)現(xiàn)“減肥節(jié)水”的綠色農(nóng)業(yè)。
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員韓斌指出，該項(xiàng)突破性工作不僅為理解植物響應(yīng)復(fù)雜環(huán)境信號提供了全新視野，為植物環(huán)境適應(yīng)性研究帶來重要的發(fā)展機(jī)遇與知識體系變革，也為精準(zhǔn)操控作物養(yǎng)分高效與逆境抗性平衡奠定了理論基礎(chǔ)。
中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院植物研究所研究員種康表示，傳統(tǒng)硝酸鹽受體NRT1.1B 可作為脫落酸的新型受體，打破了對植物脫落酸感知系統(tǒng)的固有認(rèn)知。這一機(jī)制在不同植物中的保守性為作物改良提供了普適靶點(diǎn)，也為培育兼具養(yǎng)分高效利用與逆境耐受的作物新品種開辟了新途徑，對農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義和應(yīng)用潛力。
儲成才團(tuán)隊(duì)相信，隨著研究的深入，未來會有更多基于這種“植物生存智慧”的作物新品種出現(xiàn)，讓農(nóng)業(yè)更高效、更環(huán)保。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.027
本文鏈接：饑餓與逆境當(dāng)前，植物也有“生存智慧”http://www.sq15.cn/show-11-24651-0.html
聲明：本網(wǎng)站為非營利性網(wǎng)站，本網(wǎng)頁內(nèi)容由互聯(lián)網(wǎng)博主自發(fā)貢獻(xiàn)，不代表本站觀點(diǎn)，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任。天上不會到餡餅，請大家謹(jǐn)防詐騙！若有侵權(quán)等問題請及時(shí)與本網(wǎng)聯(lián)系，我們將在第一時(shí)間刪除處理。
上一篇： “大廠”角逐大模型，它為何成為“新基建”