2026年1月12日，Chemical Engineering Journal在线发表了山东农业大学丁新华课题组题为“A highly efficient nanocopper hydroxide activates plant immune resistance and confers tolerance to salt and drought stress in rice"的研究论文。丁新华教授团队联合济南大学黄太仲教授开发了新型纳米材料：纳米氢氧化铜（Cu(OH)2NPs），研究发现Cu(OH)2NPs增强水稻对细菌性条斑病（BLS）、干旱和盐胁迫的抵抗力，效果显著强于铜离子和美国杜邦公司推出的可杀得3000（Kocide 3000）农药。值得关注的是，5 μg/mL的Cu(OH)2NPs防控BLS的效果与500 μg/mL的铜离子和农药可杀得3000相似，有望大幅降低铜元素在农业上的用量（有望降低90%）。
Cu(OH)2NPs激活水稻多种免疫反应，包括活性氧（ROS）爆发、胼胝质沉积、抗病相关基因上调以及气孔闭合。有趣的是，Cu(OH)2NPs引起的免疫抵抗不依赖水杨酸信号通路，而是部分依赖乙烯信号转导。这一发现凸显了Cu(OH)2NPs激活植物免疫路径与铜离子的区别。同时，Cu(OH)2NPs可能通过上调钠/氯离子外排基因减少根部Na、Cl含量超过75%。干旱条件下，Cu(OH)2NPs通过关闭水稻气孔，减少水分流失率，提高稻苗的存活率。这项研究为管理BLS和提升植物对非生物胁迫的抗性提供了创新见解和潜在治疗方案，有望大幅降低铜基农药用量，突破卡脖子技术，提升我国在铜基农药研发领域的竞争力，为农业可持续发展探索了可行路径。
本文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.172632
铜离子（Cu2+）是铜基农药的关键成分，铜基农药在过去几十年里被广泛用于管理农业中由细菌、真菌和卵菌引起的植物病害。近年来的研究表明Cu2+诱导防御反应与微生物相关分子模式（MAMP）触发免疫（MTI）非常相似，能够活性氧（ROS）爆发、有丝分裂蛋白激酶（MAPKs）的激活、植物激素生成、胼胝质沉积以及抗病相关基因表达等。
铜基农药（如波尔多液）在农业中已使用了近170年，传统上被认为是依靠其重金属毒性直接抑制病原菌生长。然而，进一步的研究开始揭示铜可能还具有更复杂的生物学功能。2015年，山东农业大学储昭辉、丁新华团队在《Molecular Plant》发表里程碑式研究“Copper ion elicits defense response in Arabidopsis thaliana by activating salicylate- and ethylene-dependent signaling pathways”，首次系统性地证明了铜离子（Cu²⁺）可以作为一种植物免疫激活剂，显著增强植物对病原菌的抗性。这项研究颠覆了传统认知，揭示了铜不仅是“杀菌剂”，更是植物免疫系统的“激活开关”。2018年，山东农业大学储昭辉、丁新华团队再次在《Journal of Cell Science》期刊发文“Arabidopsis thaliana ACS8 plays a crucial role in the early biosynthesis of ethylene elicited by Cu2+ ions”，研究进一步阐明了铜离子激活植物免疫的分子机制。Cu2+快速诱导乙烯合成，AtACS8基因是铜离子诱导早期乙烯合成的核心调控因子，在AtACS8启动子中鉴定出铜响应顺式元件CuRE，与重金属镉主要通过AtACS2/AtACS6诱导乙烯不同，铜离子具有独特的基因（AtACS8）调控特征。也揭示了铜制剂使用不当会导致开花期乙烯合成，而导致药害发生，落花落果的原因。
从“离子”到“纳米”：技术路径的演进
1. 传统铜离子的局限性
尽管铜离子作为免疫激活剂效果显著，但在实际应用中仍面临挑战：
用量仍较高：有效浓度虽已降至微摩尔级，但农业应用中仍需一定量。
环境积累风险：离子态铜易在土壤中积累，存在重金属污染隐患。
病原抗性：长期使用可能筛选出耐铜病原菌株。
2. 纳米技术的引入：形态创新带来性能突破
在上述铜离子免疫激活机制研究的基础上，研究人员思考：能否通过改变铜的物理形态，在保留其免疫激活功能的同时，解决传统应用的弊端？
纳米技术的引入提供了新思路：
尺寸效应：纳米颗粒具有更大的比表面积和特殊的表面性质。
靶向性：纳米颗粒具有更好的组织渗透和靶向分布。
持效特性：纳米颗粒在植物叶片组织中持续发挥免疫活性。
3. 纳米氢氧化铜的创新设计
基于对铜离子免疫激活机制的深刻理解，研究团队设计并合成了铆钉状纳米氢氧化铜（Cu(OH)₂NPs），这一设计有以下优势：
结构优势：铆钉状结构增强植物表面附着，延长作用时间
安全考量：氢氧化铜相对稳定，减少铜离子快速释放
效率提升：通过纳米化实现更低浓度下的高效免疫激活
纳米氢氧化铜的成功建立在对铜离子作用机制多年深入研究的基础上。没有前期的机制解析，很难设计出如此精准的纳米材料。从铜离子的免疫激活机制发现（2015），到铜离子调控AtACS8基因转录机制解析（2018），再到纳米氢氧化铜的创制与应用（2026），这一系列研究实现了“从基础科学到技术创新”的突破。这不仅是一项新材料的研发，更是基于深度机制理解的有目的性设计，体现了现代农业科技从“经验”到“科学”、从“粗放”到“精准”的发展趋势。纳米氢氧化铜的成功，是基础研究与实际应用紧密结合的典范，为未来绿色农业投入品的研发提供了可借鉴的模式。
科学的价值不仅在于认识世界，更在于改造世界。通过对铜离子作用机制的深刻理解，研究人员成功设计出了性能更优、更安全的纳米材料，这正是基础科学转化为生产力的生动体现。
本研究由山东农业大学丁新华教授和三峡大学沈祥陵作为通讯作者，路冲冲副教授和已毕业研究生李梓萌为共同第一作者完成，济南大学黄太仲教授、博士后Muhammad Zunair Latif、刘海峰副教授、尹梓屹教授、李洋副教授、赵海朋副教授等参与指导。本研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金等多个项目的资助。
丁新华教授课题组长期致力于植物与微生物互作、植物免疫研究，诚邀有志青年加入（博士后/研究生），共解科研难题！联系方式：xhding@sdau.edu.cn
