Cell發文！華南農大儲成才/胡斌團隊揭秘植物“生存智慧”：復雜環境信號的整合與應答

你有沒有想過

植物在大自然中生存

其實很不容易

它們不僅要面對干旱、高溫等惡劣環境

還得時刻“操心”如何從土壤中獲取足夠的養分

尤其在很多時候

“缺營養”和“遇逆境”會同時發生

比如干旱時土壤里的氮元素往往也很匱乏

那么，植物如何同時處理這些復雜信號

在“找飯吃”和“抗風險”之間找到平衡呢？

適應復雜環境是植物生存及農作物穩產的核心問題，而干旱與養分缺乏是植物最常面臨的并發脅迫。解析植物整合復雜環境信號的機制，既是理解其生存策略的關鍵，也是培育兼具養分高效和逆境抗性的未來作物新品種的理論基礎。當前研究主要集中于單一信號的感知與應答，而對復雜環境信號整合機制尚缺乏系統認知。

北京時間8月11日，華南農業大學農學院、廣東省高等學校未來作物精準育種基礎研究卓越中心、嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室儲成才教授/胡斌教授團隊在國際頂級期刊《細胞》（Cell）在線發表了題為《NRT1.1B作為植物ABA受體整合復雜環境信號》（NRT1.1B acts as an abscisic acid receptor in integrating compound environmental cues for plants）的研究論文。研究發現，植物中的NRT1.1B蛋白就像一個“智能開關”，能同時感知土壤中的氮營養狀態和逆境信號，并根據環境變化指揮植物做出最優選擇，實現對復雜環境的適應。

細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ABA感知與信號傳導。該研究不僅證實了ABA膜受體存在，突破了ABA信號感知主要依賴胞內受體的傳統認知，更揭示了植物平衡養分利用與抗逆的分子機制，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，有望推動“減肥節水”綠色農業的發展。

植物的“逆境警報器”和“營養探測器”

ABA作為重要的植物激素，堪稱植物界的“逆境警報器”。當植物遇到干旱等困難時，ABA會迅速增加，通過調節氣孔、減緩生長等方式幫助植物節省能量、抵御逆境。一直以來，科學家們認為ABA主要是在植物細胞內被感知的，就像在細胞里裝了“警報器”。

氮元素是植物生長必需的營養元素，直接影響植物的生長狀態。植物根系里有一類叫NRT1.1的蛋白，專門負責探測和吸收土壤中的氮元素尤其是硝酸鹽。其中，NRT1.1B定位于細胞膜上，作為水稻硝酸鹽受體，能夠直接感知外界硝酸鹽并觸發應答反應，就像水稻中的“營養探測器”。

自然界中，礦質養分的有效含量通常較低，而當前植物逆境生物學及ABA信號研究卻多在營養過剩的培養條件下開展。該研究發現，在低硝酸鹽（LN）環境下，水稻對ABA的響應十分劇烈；而在高硝酸鹽（HN）環境下，這種響應則受到顯著抑制，ABA激活基因數不足LN條件下的30%（圖1A），且受誘導基因的上調程度也顯著低于LN條件（圖1B）。因此，LN條件下可觸發更為活躍的ABA響應，這也暗示植物體內存在能夠整合氮營養狀態和ABA信號的分子調控機制，植物能根據氮營養的多少，調整對逆境的“敏感度”。

揭示植物的“信號傳導鏈”

有意思的是，一個傳統意義上的硝酸鹽受體—NRT1.1B，對ABA表現出明顯更強的結合能力。此外，ABA可促進NRT1.1B與抑制蛋白SPX4在細胞膜上發生互作，使得SPX4束縛的轉錄因子NLP4得以釋放而進入細胞核內，激活核內的ABA轉錄響應。因此，該研究揭示了NRT1.1B-SPX4-NLP4共同介導的從細胞膜感知到細胞核應答的完整的ABA信號通路。

值得注意的是，ABA和硝酸鹽可競爭結合NRT1.1B，因此賦予植物在不同氮營養狀態下產生靈活的ABA應答反應，從而整合不同環境信號，展示出植物整合復雜環境信號的精妙調控策略（圖1C）。

此外，NRT1.1B的ABA結合位點在高等植物的NRT1.1同源蛋白中高度保守，說明NRT1.1感知ABA信號是植物界中普遍存在的機制，也進一步證明了NRT1.1在植物長期適應自然環境過程中，對平衡養分利用與逆境抗性的重要作用。

圖1 NRT1.1B-SPX4-NLP4模塊整合氮營養與ABA信號通路

綜上，NRT1.1B作為跨膜ABA受體的鑒定是ABA信號領域的重大突破，為理解植物平衡營養與脅迫信號提供了分子機制框架。該研究深化了環境適應理論認知，開辟了抗逆作物設計新途徑，并為解析多物種復合逆境適應機制指明新方向。

該研究在審稿過程中獲得了同行專家的高度評價，認為“這是一項令人興奮且期盼已久的工作，將會對植物生物學乃至更多研究領域產生深遠影響（This is an exciting and timely study that will have a significant impact on the field of plant biology and beyond.）”；“該項工作是我們認知植物營養狀態對逆境耐受關鍵作用的重大進展（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、儲成才教授、張靜懿副教授、

徐程遠博士生、蔣志敏副教授、胡斌教授、王威副教授

華南農業大學農學院胡斌教授、儲成才教授和南方科技大學龔欣副教授為論文通訊作者，華南農業大學農學院博士后馬曉軍、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為該論文的共同第一作者。本研究得到了國家農業生物育種重大專項、國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和海南崖州灣種子實驗室項目的資助。

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-SCAU-

來源 | 農學院 科學研究院

編輯 | 新禾融媒體工作室 陳梓瀅

初審 | 安沛

復審 | 陳芃辰

終審 | 鐘耿濤

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