出品：科普中國(guó)

作者：韋一帆 徐爽（中國(guó)科學(xué)院微生物研究所）

監(jiān)制：中國(guó)科普博覽

隨著全球氣候變暖，極端天氣愈加頻繁，農(nóng)業(yè)面臨的挑戰(zhàn)也日益嚴(yán)峻。高溫、干旱、洪澇等災(zāi)害天氣不僅直接影響作物生長(zhǎng)，還會(huì)間接導(dǎo)致病蟲(chóng)害的爆發(fā)。水稻條紋病毒（RSV）引起的水稻條紋葉枯病就是其中最具破壞性的病害之一，感染的水稻葉片會(huì)出現(xiàn)黃白色條紋，嚴(yán)重時(shí)甚至顆粒無(wú)收。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家們持續(xù)探索如何通過(guò)分子育種、調(diào)整耕作制度和施肥策略等方法，以提高作物的抗逆性。

水稻條紋葉枯病發(fā)病田塊及RSV病毒粒子電鏡照片

（圖片來(lái)源：葉健）

近期，中國(guó)科學(xué)院微生物研究所葉健團(tuán)隊(duì)揭示了一個(gè)令人振奮的發(fā)現(xiàn)：科學(xué)施用硝態(tài)氮肥不僅能夠提升水稻產(chǎn)量，還可以激活水稻自身的“免疫系統(tǒng)”，幫助它們更好地抵抗病毒。這項(xiàng)研究既為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了創(chuàng)新方案，還有望減少化肥濫用導(dǎo)致的環(huán)境污染。下面，讓我們深入了解這項(xiàng)富有啟示性的科學(xué)成果。

氮肥：水稻的“營(yíng)養(yǎng)糧草”與“抗病護(hù)盾”

氮肥是農(nóng)作物生長(zhǎng)必不可少的營(yíng)養(yǎng)元素之一，常見(jiàn)的氮肥包括銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等。過(guò)去，人們對(duì)氮元素的關(guān)注往往聚焦于它在促進(jìn)生長(zhǎng)與產(chǎn)量中的作用，而忽視了它在植物免疫方面的功能。早在明代的《祐山雜說(shuō)》中，便有關(guān)于過(guò)量施用農(nóng)家肥（氮肥）導(dǎo)致水稻矮縮病加重的記載。近年來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)過(guò)量使用氮肥可能會(huì)加劇植物病害，這表明氮肥的確與植物抗病性密切相關(guān)。

近期，我們團(tuán)隊(duì)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，施用低濃度的硝態(tài)氮肥可以激活水稻自身的免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)水稻對(duì)RSV的抵抗力，首次揭示了硝態(tài)氮如何成為水稻抵抗病毒的“秘密武器”。

實(shí)驗(yàn)室條件下RSV侵染后的水稻與健康水稻的對(duì)比

（圖片來(lái)源：徐爽）

我們發(fā)現(xiàn)，水稻體內(nèi)有一種名為OsNPF6.1的蛋白質(zhì)，它是一種硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，負(fù)責(zé)將土壤中的硝態(tài)氮運(yùn)輸?shù)剿炯?xì)胞內(nèi)。當(dāng)水稻被RSV病毒攻擊時(shí)，OsNPF6.1的表達(dá)量會(huì)顯著增加，從而吸收更多的硝態(tài)氮。這些硝態(tài)氮隨后被另一種叫做OsNR2的酶催化，轉(zhuǎn)化成一氧化氮（NO）。NO是一種重要的免疫信號(hào)分子，可以激活水稻的抗病毒基因，幫助水稻抵抗病毒入侵。

RSV侵染后的NO信號(hào)顯著增強(qiáng)，圖中綠色熒光信號(hào)為NO信號(hào)

（圖片來(lái)源：韋一帆）

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，OsNPF6.1就像一個(gè)“氮肥開(kāi)關(guān)”，一旦RSV入侵，這個(gè)開(kāi)關(guān)立即“調(diào)大檔位”，吸收更多硝態(tài)氮。接著，OsNR2充當(dāng)“加工者”，將硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為NO，從而再由NO激活水稻的抗病毒防御系統(tǒng)。

病毒的“反擊”與水稻的“進(jìn)化”

然而，受到防御的病毒也并不會(huì)善罷甘休。我們發(fā)現(xiàn)，RSV進(jìn)化出了一種“反制武器”——病害特異蛋白（SP）。這種蛋白可以直接攻擊OsNPF6.1，使其失去功能，這就像SP蛋白化作“黑客”攻擊了水稻的防御系統(tǒng)，讓它無(wú)法啟動(dòng)抗病程序，從而阻斷了水稻的免疫信號(hào)傳遞。

但是，水稻也不甘示弱，面對(duì)這一“狡猾”策略，它進(jìn)化出了應(yīng)對(duì)方法。我們發(fā)現(xiàn)，在低硝態(tài)氮環(huán)境下，OsNPF6.1可能會(huì)發(fā)生一種叫做“磷酸化修飾”的變化，這種變化會(huì)改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，使它不容易被病毒的SP蛋白攻擊。換句話說(shuō)，低硝態(tài)氮環(huán)境為水稻的OsNPF6.1披上“迷彩服”，導(dǎo)致病毒難以識(shí)別其攻擊對(duì)象，從而避免了病毒攻擊水稻的防御系統(tǒng)。

這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)新的抗病策略提供了靈感：或許可以通過(guò)調(diào)控硝態(tài)氮的供應(yīng)，幫助水稻“騙過(guò)”病毒，保持自身的免疫力。

NPF6.1-NO信號(hào)級(jí)聯(lián)通路在RSV抗性中的作用模型

RSV侵染上調(diào)OsNPF6.1基因的表達(dá)，該基因編碼水稻中的硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsNPF6.1，從而增加細(xì)胞對(duì)硝酸鹽的吸收，硝酸鹽在水稻硝酸還原酶OsNR2的催化作用下轉(zhuǎn)化為NO。NO作為宿主免疫反應(yīng)中的關(guān)鍵信號(hào)分子，通過(guò)調(diào)節(jié)抗性相關(guān)基因的表達(dá)間接增強(qiáng)了水稻的抗性。RSV的致病因子SP與NPF6.1相互作用，削弱其功能，促進(jìn)疾病的發(fā)展。在硝酸鹽水平較低時(shí)，NPF6.1可能會(huì)發(fā)生磷酸化，減少與SP的相互作用，從而保持其硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)活性。

（圖片來(lái)源：徐爽）

從實(shí)驗(yàn)室到農(nóng)田：抗病與高產(chǎn)的“雙贏”

這一發(fā)現(xiàn)不僅具有理論意義，還有很大的應(yīng)用潛力。此前，我們與南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的萬(wàn)建民院士團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)OsNPF6.1的某些特殊變異（稱為“優(yōu)異單倍型”）可以顯著提高水稻在低氮環(huán)境下的產(chǎn)量。而最新的研究則表明，這些變異還能增強(qiáng)水稻的抗病能力。

這意味著，通過(guò)選育攜帶OsNPF6.1優(yōu)異單倍型的水稻品種，并結(jié)合硝態(tài)氮緩釋肥料的使用，農(nóng)民可以在減少氮肥用量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)“抗病”和“高產(chǎn)”的雙重目標(biāo)。這不僅降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，還能減少氮肥濫用對(duì)環(huán)境的污染，可謂一舉多得。

這項(xiàng)研究為綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了新思路。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，為了提高產(chǎn)量，農(nóng)民往往大量使用氮肥，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)帶來(lái)土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題。“精準(zhǔn)施氮”既能滿足作物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)需求，又能增強(qiáng)其抗病能力。

未來(lái)，科學(xué)家們可能會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化OsNPF6.1的功能，或者開(kāi)發(fā)新型的硝態(tài)氮肥料，使其更高效地激活作物的免疫系統(tǒng)。此外，這一發(fā)現(xiàn)也有望推廣到其他作物，幫助更多農(nóng)作物抵抗病毒侵害。

結(jié)語(yǔ)

我們團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究，不僅揭示了硝態(tài)氮如何通過(guò)OsNPF6.1蛋白激活水稻的免疫系統(tǒng)，幫助其抵抗病毒，還發(fā)現(xiàn)了病毒的反制機(jī)制和水稻的應(yīng)對(duì)策略，為設(shè)計(jì)新型抗病技術(shù)提供了科學(xué)依據(jù)。更重要的是，這項(xiàng)研究為實(shí)現(xiàn)“綠色農(nóng)業(yè)”提供了新希望——通過(guò)合理使用氮肥，既能提高產(chǎn)量，又可以保護(hù)環(huán)境。

科學(xué)的進(jìn)步往往源于對(duì)自然現(xiàn)象的深入觀察和理解。從水稻與病毒的“攻防博弈”中，我們不僅領(lǐng)略到了生命演化的奇妙，也為解決農(nóng)業(yè)難題找到了新的曙光。在不久的將來(lái)，或許僅需優(yōu)化施肥策略，就能讓水稻變得更健康、更高產(chǎn)。

來(lái)源: 中國(guó)科普博覽

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