2026年1月12日，Chemical Engineering Journal在線發(fā)表了山東農(nóng)業(yè)大學(xué)丁新華課題組題為“A highly efficient nanocopper hydroxide activates plant immune resistance and confers tolerance to salt and drought stress in rice"的研究論文。丁新華教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合濟(jì)南大學(xué)黃太仲教授開發(fā)了新型納米材料：納米氫氧化銅（Cu(OH)2NPs），研究發(fā)現(xiàn)Cu(OH)2NPs增強(qiáng)水稻對(duì)細(xì)菌性條斑病（BLS）、干旱和鹽脅迫的抵抗力，效果顯著強(qiáng)于銅離子和美國杜邦公司推出的可殺得3000（Kocide 3000）農(nóng)藥。值得關(guān)注的是，5 μg/mL的Cu(OH)2NPs防控BLS的效果與500 μg/mL的銅離子和農(nóng)藥可殺得3000相似，有望大幅降低銅元素在農(nóng)業(yè)上的用量（有望降低90%）。
Cu(OH)2NPs激活水稻多種免疫反應(yīng)，包括活性氧（ROS）爆發(fā)、胼胝質(zhì)沉積、抗病相關(guān)基因上調(diào)以及氣孔閉合。有趣的是，Cu(OH)2NPs引起的免疫抵抗不依賴水楊酸信號(hào)通路，而是部分依賴乙烯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。這一發(fā)現(xiàn)凸顯了Cu(OH)2NPs激活植物免疫路徑與銅離子的區(qū)別。同時(shí)，Cu(OH)2NPs可能通過上調(diào)鈉/氯離子外排基因減少根部Na、Cl含量超過75%。干旱條件下，Cu(OH)2NPs通過關(guān)閉水稻氣孔，減少水分流失率，提高稻苗的存活率。這項(xiàng)研究為管理BLS和提升植物對(duì)非生物脅迫的抗性提供了創(chuàng)新見解和潛在治療方案，有望大幅降低銅基農(nóng)藥用量，突破卡脖子技術(shù)，提升我國在銅基農(nóng)藥研發(fā)領(lǐng)域的競(jìng)爭力，為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展探索了可行路徑。
本文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172632
銅離子（Cu2+）是銅基農(nóng)藥的關(guān)鍵成分，銅基農(nóng)藥在過去幾十年里被廣泛用于管理農(nóng)業(yè)中由細(xì)菌、真菌和卵菌引起的植物病害。近年來的研究表明Cu2+誘導(dǎo)防御反應(yīng)與微生物相關(guān)分子模式（MAMP）觸發(fā)免疫（MTI）非常相似，能夠活性氧（ROS）爆發(fā)、有絲分裂蛋白激酶（MAPKs）的激活、植物激素生成、胼胝質(zhì)沉積以及抗病相關(guān)基因表達(dá)等。
銅基農(nóng)藥（如波爾多液）在農(nóng)業(yè)中已使用了近170年，傳統(tǒng)上被認(rèn)為是依靠其重金屬毒性直接抑制病原菌生長。然而，進(jìn)一步的研究開始揭示銅可能還具有更復(fù)雜的生物學(xué)功能。2015年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)儲(chǔ)昭輝、丁新華團(tuán)隊(duì)在《Molecular Plant》發(fā)表里程碑式研究“Copper ion elicits defense response in Arabidopsis thaliana by activating salicylate- and ethylene-dependent signaling pathways”，首次系統(tǒng)性地證明了銅離子（Cu2?）可以作為一種植物免疫激活劑，顯著增強(qiáng)植物對(duì)病原菌的抗性。這項(xiàng)研究顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了銅不僅是“殺菌劑”，更是植物免疫系統(tǒng)的“激活開關(guān)”。2018年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)儲(chǔ)昭輝、丁新華團(tuán)隊(duì)再次在《Journal of Cell Science》期刊發(fā)文“Arabidopsis thaliana ACS8 plays a crucial role in the early biosynthesis of ethylene elicited by Cu2+ ions”，研究進(jìn)一步闡明了銅離子激活植物免疫的分子機(jī)制。Cu2+快速誘導(dǎo)乙烯合成，AtACS8基因是銅離子誘導(dǎo)早期乙烯合成的核心調(diào)控因子，在AtACS8啟動(dòng)子中鑒定出銅響應(yīng)順式元件CuRE，與重金屬鎘主要通過AtACS2/AtACS6誘導(dǎo)乙烯不同，銅離子具有獨(dú)特的基因（AtACS8）調(diào)控特征。也揭示了銅制劑使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致開花期乙烯合成，而導(dǎo)致藥害發(fā)生，落花落果的原因。
從“離子”到“納米”：技術(shù)路徑的演進(jìn)
1. 傳統(tǒng)銅離子的局限性
盡管銅離子作為免疫激活劑效果顯著，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨挑戰(zhàn)：
用量仍較高：有效濃度雖已降至微摩爾級(jí)，但農(nóng)業(yè)應(yīng)用中仍需一定量。
環(huán)境積累風(fēng)險(xiǎn)：離子態(tài)銅易在土壤中積累，存在重金屬污染隱患。
病原抗性：長期使用可能篩選出耐銅病原菌株。
2. 納米技術(shù)的引入：形態(tài)創(chuàng)新帶來性能突破
在上述銅離子免疫激活機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，研究人員思考：能否通過改變銅的物理形態(tài)，在保留其免疫激活功能的同時(shí)，解決傳統(tǒng)應(yīng)用的弊端？
納米技術(shù)的引入提供了新思路：
尺寸效應(yīng)：納米顆粒具有更大的比表面積和特殊的表面性質(zhì)。
靶向性：納米顆粒具有更好的組織滲透和靶向分布。
持效特性：納米顆粒在植物葉片組織中持續(xù)發(fā)揮免疫活性。
3. 納米氫氧化銅的創(chuàng)新設(shè)計(jì)
基于對(duì)銅離子免疫激活機(jī)制的深刻理解，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并合成了鉚釘狀納米氫氧化銅（Cu(OH)?NPs），這一設(shè)計(jì)有以下優(yōu)勢(shì)：
結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)：鉚釘狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)植物表面附著，延長作用時(shí)間
安全考量：氫氧化銅相對(duì)穩(wěn)定，減少銅離子快速釋放
效率提升：通過納米化實(shí)現(xiàn)更低濃度下的高效免疫激活
納米氫氧化銅的成功建立在對(duì)銅離子作用機(jī)制多年深入研究的基礎(chǔ)上。沒有前期的機(jī)制解析，很難設(shè)計(jì)出如此精準(zhǔn)的納米材料。從銅離子的免疫激活機(jī)制發(fā)現(xiàn)（2015），到銅離子調(diào)控AtACS8基因轉(zhuǎn)錄機(jī)制解析（2018），再到納米氫氧化銅的創(chuàng)制與應(yīng)用（2026），這一系列研究實(shí)現(xiàn)了“從基礎(chǔ)科學(xué)到技術(shù)創(chuàng)新”的突破。這不僅是一項(xiàng)新材料的研發(fā)，更是基于深度機(jī)制理解的有目的性設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技從“經(jīng)驗(yàn)”到“科學(xué)”、從“粗放”到“精準(zhǔn)”的發(fā)展趨勢(shì)。納米氫氧化銅的成功，是基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合的典范，為未來綠色農(nóng)業(yè)投入品的研發(fā)提供了可借鑒的模式。
科學(xué)的價(jià)值不僅在于認(rèn)識(shí)世界，更在于改造世界。通過對(duì)銅離子作用機(jī)制的深刻理解，研究人員成功設(shè)計(jì)出了性能更優(yōu)、更安全的納米材料，這正是基礎(chǔ)科學(xué)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的生動(dòng)體現(xiàn)。
本研究由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)丁新華教授和三峽大學(xué)沈祥陵作為通訊作者，路沖沖副教授和已畢業(yè)研究生李梓萌為共同第一作者完成，濟(jì)南大學(xué)黃太仲教授、博士后Muhammad Zunair Latif、劉海峰副教授、尹梓屹教授、李洋副教授、趙海朋副教授等參與指導(dǎo)。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、山東省自然科學(xué)基金等多個(gè)項(xiàng)目的資助。
丁新華教授課題組長期致力于植物與微生物互作、植物免疫研究，誠邀有志青年加入（博士后/研究生），共解科研難題！聯(lián)系方式：xhding@sdau.edu.cn
