你有沒有想過

植物在大自然中生存

其實(shí)很不容易

它們不僅要面對(duì)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

尤其在很多時(shí)候

“缺營(yíng)養(yǎng)”和“遇逆境”會(huì)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

那么，植物如何同時(shí)處理這些復(fù)雜信號(hào)

在“找飯吃”和“抗風(fēng)險(xiǎn)”之間找到平衡呢？

適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境是植物生存及農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)的核心問題，而干旱與養(yǎng)分缺乏是植物最常面臨的并發(fā)脅迫。解析植物整合復(fù)雜環(huán)境信號(hào)的機(jī)制，既是理解其生存策略的關(guān)鍵，也是培育兼具養(yǎng)分高效和逆境抗性的未來作物新品種的理論基礎(chǔ)。當(dāng)前研究主要集中于單一信號(hào)的感知與應(yīng)答，而對(duì)復(fù)雜環(huán)境信號(hào)整合機(jī)制尚缺乏系統(tǒng)認(rèn)知。

北京時(shí)間8月11日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院、廣東省高等學(xué)校未來作物精準(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)室儲(chǔ)成才教授/胡斌教授團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《細(xì)胞》（Cell）在線發(fā)表了題為《NRT1.1B作為植物ABA受體整合復(fù)雜環(huán)境信號(hào)》（NRT1.1B acts as an abscisic acid receptor in integrating compound environmental cues for plants）的研究論文。研究發(fā)現(xiàn)，植物中的NRT1.1B蛋白就像一個(gè)“智能開關(guān)”，能同時(shí)感知土壤中的氮營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和逆境信號(hào)，并根據(jù)環(huán)境變化指揮植物做出最優(yōu)選擇，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)。

細(xì)胞膜定位的硝酸鹽受體NRT1.1B可以作為植物激素脫落酸（Abscisic Acid，ABA）的受體，介導(dǎo)ABA感知與信號(hào)傳導(dǎo)。該研究不僅證實(shí)了ABA膜受體存在，突破了ABA信號(hào)感知主要依賴胞內(nèi)受體的傳統(tǒng)認(rèn)知，更揭示了植物平衡養(yǎng)分利用與抗逆的分子機(jī)制，為培育氮高效且抗逆的未來作物提供了理論支撐。將來， 我們有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)，有望推動(dòng)“減肥節(jié)水”綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

植物的“逆境警報(bào)器”和“營(yíng)養(yǎng)探測(cè)器”

ABA作為重要的植物激素，堪稱植物界的“逆境警報(bào)器”。當(dāng)植物遇到干旱等困難時(shí)，ABA會(huì)迅速增加，通過調(diào)節(jié)氣孔、減緩生長(zhǎng)等方式幫助植物節(jié)省能量、抵御逆境。一直以來，科學(xué)家們認(rèn)為ABA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”。

氮元素是植物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素，直接影響植物的生長(zhǎng)狀態(tài)。植物根系里有一類叫NRT1.1的蛋白，專門負(fù)責(zé)探測(cè)和吸收土壤中的氮元素尤其是硝酸鹽。其中，NRT1.1B定位于細(xì)胞膜上，作為水稻硝酸鹽受體，能夠直接感知外界硝酸鹽并觸發(fā)應(yīng)答反應(yīng)，就像水稻中的“營(yíng)養(yǎng)探測(cè)器”。

自然界中，礦質(zhì)養(yǎng)分的有效含量通常較低，而當(dāng)前植物逆境生物學(xué)及ABA信號(hào)研究卻多在營(yíng)養(yǎng)過剩的培養(yǎng)條件下開展。該研究發(fā)現(xiàn)，在低硝酸鹽（LN）環(huán)境下，水稻對(duì)ABA的響應(yīng)十分劇烈；而在高硝酸鹽（HN）環(huán)境下，這種響應(yīng)則受到顯著抑制，ABA激活基因數(shù)不足LN條件下的30%（圖1A），且受誘導(dǎo)基因的上調(diào)程度也顯著低于LN條件（圖1B）。因此，LN條件下可觸發(fā)更為活躍的ABA響應(yīng)，這也暗示植物體內(nèi)存在能夠整合氮營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)和ABA信號(hào)的分子調(diào)控機(jī)制，植物能根據(jù)氮營(yíng)養(yǎng)的多少，調(diào)整對(duì)逆境的“敏感度”。

揭示植物的“信號(hào)傳導(dǎo)鏈”

有意思的是，一個(gè)傳統(tǒng)意義上的硝酸鹽受體—NRT1.1B，對(duì)ABA表現(xiàn)出明顯更強(qiáng)的結(jié)合能力。此外，ABA可促進(jìn)NRT1.1B與抑制蛋白SPX4在細(xì)胞膜上發(fā)生互作，使得SPX4束縛的轉(zhuǎn)錄因子NLP4得以釋放而進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，激活核內(nèi)的ABA轉(zhuǎn)錄響應(yīng)。因此，該研究揭示了NRT1.1B-SPX4-NLP4共同介導(dǎo)的從細(xì)胞膜感知到細(xì)胞核應(yīng)答的完整的ABA信號(hào)通路。

值得注意的是，ABA和硝酸鹽可競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合NRT1.1B，因此賦予植物在不同氮營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下產(chǎn)生靈活的ABA應(yīng)答反應(yīng)，從而整合不同環(huán)境信號(hào)，展示出植物整合復(fù)雜環(huán)境信號(hào)的精妙調(diào)控策略（圖1C）。

此外，NRT1.1B的ABA結(jié)合位點(diǎn)在高等植物的NRT1.1同源蛋白中高度保守，說明NRT1.1感知ABA信號(hào)是植物界中普遍存在的機(jī)制，也進(jìn)一步證明了NRT1.1在植物長(zhǎng)期適應(yīng)自然環(huán)境過程中，對(duì)平衡養(yǎng)分利用與逆境抗性的重要作用。

圖1 NRT1.1B-SPX4-NLP4模塊整合氮營(yíng)養(yǎng)與ABA信號(hào)通路

綜上，NRT1.1B作為跨膜ABA受體的鑒定是ABA信號(hào)領(lǐng)域的重大突破，為理解植物平衡營(yíng)養(yǎng)與脅迫信號(hào)提供了分子機(jī)制框架。該研究深化了環(huán)境適應(yīng)理論認(rèn)知，開辟了抗逆作物設(shè)計(jì)新途徑，并為解析多物種復(fù)合逆境適應(yīng)機(jī)制指明新方向。

該研究在審稿過程中獲得了同行專家的高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為“這是一項(xiàng)令人興奮且期盼已久的工作，將會(huì)對(duì)植物生物學(xué)乃至更多研究領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響（This is an exciting and timely study that will have a significant impact on the field of plant biology and beyond.）”；“該項(xiàng)工作是我們認(rèn)知植物營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)對(duì)逆境耐受關(guān)鍵作用的重大進(jìn)展（Overall, this work represents a strong and remarkable advance in our understanding of the nutrient dependency in abiotic stress tolerance in plants.）”。

文章主要作者

左起：馬曉軍博士后、儲(chǔ)成才教授、張靜懿副教授、

徐程遠(yuǎn)博士生、蔣志敏副教授、胡斌教授、王威副教授

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院胡斌教授、儲(chǔ)成才教授和南方科技大學(xué)龔欣副教授為論文通訊作者，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院博士后馬曉軍、王威副教授、張靜懿副教授、蔣志敏副教授和博士研究生徐程遠(yuǎn)為該論文的共同第一作者。本研究得到了國(guó)家農(nóng)業(yè)生物育種重大專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委和海南崖州灣種子實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的資助。

近年來，華農(nóng)聚焦國(guó)家戰(zhàn)略和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展需求，深入實(shí)施有組織科研，系統(tǒng)布局和推進(jìn)原始創(chuàng)新。華農(nóng)作物學(xué)科作為“雙一流”建設(shè)學(xué)科，以組建高水平團(tuán)隊(duì)為引擎，以搭建高質(zhì)量平臺(tái)為支撐，扎實(shí)推進(jìn)學(xué)科向世界一流目標(biāo)邁進(jìn)。

接下來

學(xué)校將繼續(xù)以建設(shè)

農(nóng)業(yè)特色世界一流大學(xué)為目標(biāo)

持續(xù)激發(fā)創(chuàng)新活力

推動(dòng)創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)

打造創(chuàng)新引領(lǐng)的科技策源高地

全面支撐新形勢(shì)下高質(zhì)量?jī)?nèi)涵式發(fā)展

鑄就農(nóng)業(yè)領(lǐng)域國(guó)家戰(zhàn)略科技力量

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-SCAU-

來源 | 農(nóng)學(xué)院 科學(xué)研究院

編輯 | 新禾融媒體工作室 陳梓瀅

初審 | 安沛

復(fù)審 | 陳芃辰

終審 | 鐘耿濤

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