隨著全球氣候變暖，極端天氣愈加頻繁，農業面臨的挑戰也日益嚴峻。高溫、干旱、洪澇等災害天氣不僅直接影響作物生長，還會間接導致病蟲害的爆發。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，感染的水稻葉片會出現黃白色條紋，嚴重時甚至顆粒無收。為了應對這些挑戰，科學家們持續探索如何通過分子育種、調整耕作制度和施肥策略等方法，以提高作物的抗逆性。

水稻條紋葉枯病發病田塊及RSV病毒粒子電鏡照片

（圖片來源：葉健）

近期，中國科學院微生物研究所葉健團隊揭示了一個令人振奮的發現：科學施用硝態氮肥不僅能夠提升水稻產量，還可以激活水稻自身的“免疫系統”，幫助它們更好地抵抗病毒。這項研究既為農業生產提供了創新方案，還有望減少化肥濫用導致的環境污染。下面，讓我們深入了解這項富有啟示性的科學成果。

氮肥：水稻的“營養糧草”與“抗病護盾”

氮肥是農作物生長必不可少的營養元素之一，常見的氮肥包括銨態氮和硝態氮等。過去，人們對氮元素的關注往往聚焦于它在促進生長與產量中的作用，而忽視了它在植物免疫方面的功能。早在明代的《祐山雜說》中，便有關于過量施用農家肥（氮肥）導致水稻矮縮病加重的記載。近年來，科學家發現過量使用氮肥可能會加劇植物病害，這表明氮肥的確與植物抗病性密切相關。

近期，我們團隊在此基礎上進一步發現，施用低濃度的硝態氮肥可以激活水稻自身的免疫系統，增強水稻對RSV的抵抗力，首次揭示了硝態氮如何成為水稻抵抗病毒的“秘密武器”。

實驗室條件下RSV侵染后的水稻與健康水稻的對比

（圖片來源：徐爽）

我們發現，水稻體內有一種名為OsNPF6.1的蛋白質，它是一種硝酸鹽轉運蛋白，負責將土壤中的硝態氮運輸到水稻細胞內。當水稻被RSV病毒攻擊時，OsNPF6.1的表達量會顯著增加，從而吸收更多的硝態氮。這些硝態氮隨后被另一種叫做OsNR2的酶催化，轉化成一氧化氮（NO）。NO是一種重要的免疫信號分子，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信號顯著增強，圖中綠色熒光信號為NO信號

（圖片來源：韋一帆）

簡單來說，OsNPF6.1就像一個“氮肥開關”，一旦RSV入侵，這個開關立即“調大檔位”，吸收更多硝態氮。接著，OsNR2充當“加工者”，將硝態氮轉化為NO，從而再由NO激活水稻的抗病毒防御系統。

病毒的“反擊”與水稻的“進化”

然而，受到防御的病毒也并不會善罷甘休。我們發現，RSV進化出了一種“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，讓它無法啟動抗病程序，從而阻斷了水稻的免疫信號傳遞。

但是，水稻也不甘示弱，面對這一“狡猾”策略，它進化出了應對方法。我們發現，在低硝態氮環境下，OsNPF6.1可能會發生一種叫做“磷酸化修飾”的變化，這種變化會改變蛋白質的結構，使它不容易被病毒的SP蛋白攻擊。換句話說，低硝態氮環境為水稻的OsNPF6.1披上“迷彩服”，導致病毒難以識別其攻擊對象，從而避免了病毒攻擊水稻的防御系統。

這一發現為設計新的抗病策略提供了靈感：或許可以通過調控硝態氮的供應，幫助水稻“騙過”病毒，保持自身的免疫力。

NPF6.1-NO信號級聯通路在RSV抗性中的作用模型

RSV侵染上調OsNPF6.1基因的表達，該基因編碼水稻中的硝酸鹽轉運蛋白OsNPF6.1，從而增加細胞對硝酸鹽的吸收，硝酸鹽在水稻硝酸還原酶OsNR2的催化作用下轉化為NO。NO作為宿主免疫反應中的關鍵信號分子，通過調節抗性相關基因的表達間接增強了水稻的抗性。RSV的致病因子SP與NPF6.1相互作用，削弱其功能，促進疾病的發展。在硝酸鹽水平較低時，NPF6.1可能會發生磷酸化，減少與SP的相互作用，從而保持其硝酸鹽轉運活性。

（圖片來源：徐爽）

從實驗室到農田：抗病與高產的“雙贏”

這一發現不僅具有理論意義，還有很大的應用潛力。此前，我們與南京農業大學的萬建民院士團隊合作，發現OsNPF6.1的某些特殊變異（稱為“優異單倍型”）可以顯著提高水稻在低氮環境下的產量。而最新的研究則表明，這些變異還能增強水稻的抗病能力。

這意味著，通過選育攜帶OsNPF6.1優異單倍型的水稻品種，并結合硝態氮緩釋肥料的使用，農民可以在減少氮肥用量的同時，實現“抗病”和“高產”的雙重目標。這不僅降低了農業生產成本，還能減少氮肥濫用對環境的污染，可謂一舉多得。

這項研究為綠色農業的發展提供了新思路。在傳統的農業生產中，為了提高產量，農民往往大量使用氮肥，不僅浪費資源，還會帶來土壤酸化、水體富營養化等環境問題。“精準施氮”既能滿足作物生長的營養需求，又能增強其抗病能力。

未來，科學家們可能會進一步優化OsNPF6.1的功能，或者開發新型的硝態氮肥料，使其更高效地激活作物的免疫系統。此外，這一發現也有望推廣到其他作物，幫助更多農作物抵抗病毒侵害。

結語

我們團隊的這項研究，不僅揭示了硝態氮如何通過OsNPF6.1蛋白激活水稻的免疫系統，幫助其抵抗病毒，還發現了病毒的反制機制和水稻的應對策略，為設計新型抗病技術提供了科學依據。更重要的是，這項研究為實現“綠色農業”提供了新希望——通過合理使用氮肥，既能提高產量，又可以保護環境。

科學的進步往往源于對自然現象的深入觀察和理解。從水稻與病毒的“攻防博弈”中，我們不僅領略到了生命演化的奇妙，也為解決農業難題找到了新的曙光。在不久的將來，或許僅需優化施肥策略，就能讓水稻變得更健康、更高產。

出品：科普中國

作者：韋一帆 徐爽（中國科學院微生物研究所）

監制：中國科普博覽