氮高效改良品种（左）是绿色的，氮低效品种发黄。受访者供图

■本报记者 李晨 朱汉斌

“又饿又渴！”当你“感知”周围既无食物也没水时，身体会调动储备应对窘迫局面。其实，这对植物来说也是一种“基操”。

8月11日，华南农业大学教授储成才团队在《细胞》发表一项突破性研究成果，揭开了植物应对多种逆境条件的“生存智慧”。植物体内有一种叫NRT1.1B的蛋白，它就像一个智能开关，可同时感知土壤中的“食物”（氮元素）和干旱（逆境信号），帮植物做出最优生存选择。

论文审稿人认为，这是“一项令人兴奋且期盼已久的工作，将对植物生物学乃至更多研究领域产生深远影响”，“大大增进了我们对植物营养状态如何影响逆境耐受的理解”。

植物如何感知复杂自然环境

植物在大自然中生存并不容易。论文通讯作者储成才向《中国科学报》解释，植物不仅要面对干旱、高温等恶劣环境条件，还得时刻“操心”如何从土壤中获取足够的养分。很多时候，“缺营养”和“遇逆境”会同时发生，比如干旱时土壤里的氮元素往往很匮乏。

适应复杂多变的自然环境既是植物生存的永恒主题，也是农作物高产稳产、实现粮食安全的重要前提。季节性降水变化导致的干旱和矿质元素不均匀分布导致的养分缺乏是植物面对的高频逆境胁迫，且多数情况下这两种胁迫同时存在。

“植物如何整合复杂环境信号是深入理解植物生存智慧的关键，也是创制兼具养分高效利用与逆境抗性的未来作物新品种的理论基础。”储成才说，然而，目前的研究主要针对单一信号的感知与应答，对复杂环境信号整合机制缺乏系统认知。

此外，全球气候变化导致高温、干旱等极端天气频发，过量化肥使用导致环境污染，这些都对水稻种植提出了新的挑战。中国科学院院士、崖州湾国家实验室主任李家洋表示，培育“节水减肥”的“资源高效型”水稻新种质是应对挑战的关键。深入理解植物对不同环境信号应答及整合的工作机制有望为“资源高效型”水稻育种带来重要契机。

论文通讯作者、华南农业大学教授胡斌告诉《中国科学报》，在植物世界里，有一类叫“脱落酸（ABA）”的物质堪称“逆境警报器”。当植物遇到干旱等困难时，脱落酸会迅速增加，通过调节气孔关闭、减缓生长等方式帮植物节能抗逆。一直以来，科学家认为脱落酸主要是在植物细胞内被感知的，就像在细胞里装了“警报器”。

而氮元素是植物生长必需的“营养餐”，土壤中氮的含量直接影响植物的生长状态。植物根系里有一类叫NRT1的蛋白家族，是植物中最早被鉴定的一类硝酸盐转运蛋白，目前对该家族成员功能的认知主要集中在对氮利用的调控方面，其专门负责“探测”吸收土壤中的氮元素，尤其是硝酸盐，是一个“营养探测器”。

此前，科学家对“逆境警报器”脱落酸和“营养探测器”NRT1蛋白家族都分别进行过深入研究，已大体了解它们各自的功能和分子机制。但科学家没料到，二者竟然有直接的联系。

“营养探测器”还能当“逆境警报器”

植物生长的自然环境很复杂，以土壤为例，其中不仅包含了各种元素、水分，还有各种细菌、病毒等微生物。

那么，植物究竟是如何同时处理这些复杂信号，在“找饭吃”和“抗风险”之间找到自身平衡从而存活下来的呢？

“要想了解植物如何响应复杂的自然环境，就得尽量模拟自然环境。”储成才说，在自然环境中，土壤里的氮元素通常很匮乏，一般低于1毫摩尔/升，而过去科学家在实验室研究中常用的培养基中氮含量高达60毫摩尔/升，远高于自然状态。

“让植物回归自然状态，会出现什么情况？”储成才团队打算实验一下。

胡斌说，他们选择了NRT1.1B这个水稻中关键的“氮探测器”作为研究对象，它能直接感知外界氮元素的多少并启动相应反应。他们分别给水稻营造了低氮环境和高氮环境。结果发现，在低氮环境下，水稻对脱落酸的反应非常强烈，大量抗逆境基因被激活；但在高氮环境下，这种反应被显著抑制，受脱落酸激活的基因数量不到低氮环境的30%。

“这说明，植物确实能根据氮营养含量，调整对逆境的‘敏感度’。”胡斌说，NRT1.1B不只是“氮探测器”，还有隐藏技能——直接“捕捉”脱落酸。

通过一系列精密实验，他们发现，NRT1.1B与脱落酸结合能力很强，是它结合氮元素能力的1000倍左右。储成才说，这意味着当环境中的“食物”氮元素不足时，NRT1.1B更倾向于“接收”脱落酸的信号，优先启动抗逆境程序。

“NRT1.1B有望成为精准操控养分高效利用与逆境抗性的关键节点。”李家洋说，这项工作代表了复杂环境信号感知与整合分子机制研究的突破性与前瞻性成果，有望为“资源高效型”水稻种质创新提供关键理论支撑。

“信号传导链”：从感知到行动

那么，NRT1.1B是如何把“氮信号”和“逆境信号”整合起来的呢？研究团队找到了一条完整的“信号传导链”。

原来，除胞内受体外，细胞膜上同样存在感知脱落酸的受体。

论文通讯作者、南方科技大学副教授龚欣说，他们的研究发现，植物细胞里有一种叫SPX4的蛋白，像个“拦路虎”，会阻止一类叫NLP4的“传令兵”进入细胞核。当NRT1.1B感知到脱落酸后，会让SPX4不再阻拦“传令兵”。这样一来，“传令兵”就能顺利进入细胞核，启动一系列抗逆境基因的表达，帮植物应对困难。

更关键的是，氮元素和脱落酸会“竞争上岗”结合NRT1.1B：当土壤中氮充足时，氮元素会占据NRT1.1B，让它更专注于调节氮的吸收利用，此时植物更倾向于生长；而当氮匮乏遇到逆境时，脱落酸会“抢过”结合位点，让NRT1.1B启动抗逆境程序，帮植物“保命”。

NRT1.1B蛋白的这种“双受体”功能，让植物能根据环境灵活切换“生长模式”和“抗逆模式”。“这种机制在植物界很普遍，拟南芥、玉米、小麦等植物中，类似NRT1.1B的蛋白都有这种‘双感知’能力，说明这是植物在长期进化中形成的‘生存智慧’。”储成才说。

此外，田间实验显示，在低氮加干旱的双重压力下，NRT1.1B能帮水稻维持产量。这意味着，通过改造NRT1.1B，未来可能培育出既耐干旱又能高效利用氮元素的作物新品种，它们不需要太多化肥也能在逆境中高产，真正实现“减肥节水”的绿色农业。

中国科学院院士、中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员韩斌指出，该突破性工作不仅为理解植物响应复杂环境信号提供了全新视野，为植物环境适应性研究带来重要的发展机遇与知识体系变革，也为精准操控作物养分高效与逆境抗性平衡奠定了理论基础。

中国科学院院士、中国科学院植物研究所研究员种康表示，传统硝酸盐受体NRT1.1B可作为脱落酸的新型受体，打破了对植物脱落酸感知系统的固有认知。这一机制在不同植物中的保守性为作物改良提供了普适靶点，也为培育兼具养分高效利用与逆境耐受的作物新品种开辟了新途径，对农业可持续发展具有重要指导意义和应用潜力。

储成才团队相信，随着研究的深入，未来会有更多基于植物“生存智慧”的作物新品种出现，让农业更高效、更环保。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.07.027