生物通 2024年06月28日 12:49 廣東
一個國際科學家小組首次發現了一種基因「關閉開關」，它可以關閉豆科植物將大氣中的氮轉化為營養物質的過程。
豆類、豌豆和扁豆等豆類在作物中是獨一無二的，因為它們能夠與土壤細菌交互作用，將氮轉化或「固定」為可用的營養物質。然而，當土壤中透過自然過程或透過施用合成肥料已經富含氮時，這種能源密集型生物過程就會減少。
最新發現的基因調節因子可以在土壤硝酸鹽含量高時關閉固氮作用，這使得科學家們可以去除模型豆科植物中的基因，確保它們無論土壤環境如何都能繼續固氮。
提高豆科植物固氮的生物能力有助於提高作物生長和產量，同時也減少了對合成肥料的需求，而合成肥料會增加農業的環境足跡。
這項研究的結果發表在【自然】雜誌上，該研究是國際農業中促進營養共生(ENSA)計畫的一部份。
「從農業的角度來看，持續的固氮可能是一個有益的特性，可以增加氮的可用性，無論是對豆類還是對豆類種植後依賴土壤中氮的未來作物，」首席作者Dugald Reid博士說。
「這有助於為未來的研究奠定基礎，為我們管理農業系統提供新的方法，以減少氮肥的使用，增加農業收入，減少氮肥使用對環境的影響。」
ENSA計畫目前由比爾和梅琳達·蓋茲農業創新公司(Gates Ag One)資助，這是一個非營利性組織，投資於突破性的農業研究，以滿足撒哈拉以南非洲和南亞小農的迫切和被忽視的需求。
在篩選了15萬株豆科植物後，研究小組發現了這種被稱為「Fixation Under Nitrate」(FUN)的調節因子，這些豆科植物的基因被敲除，以確定植物如何控制從固氮到土壤氮吸收的轉換。
FUN是一種被稱為轉錄因子的基因，控制著其他基因的水平。研究發現，無論它是活躍還是不活躍，也無論氮水平如何，它都存在於豆類中。
「作為研究的一部份，我們為溫室中的數千種植物設計了一個基因篩選，以辨識將環境觸發因素與生物訊號聯系起來的基因，」該論文的合著者、ENSA研究員Jieshun Lin博士說。
「透過增加模型豆科植物可用的硝酸鹽水平，我們能夠辨識那些固氮調節受損的豆科植物，並行現FUN突變體。」
然後，研究小組使用生物化學、基因表現研究和顯微鏡相結合的方法發現，FUN在失活時形成長長的蛋白質細絲。
這導致了第二次發現，鋅水平在觸發FUN變得活躍和關閉固氮方面發揮作用。
「我們發現改變土壤氮會改變植物中鋅的含量。以前沒有發現鋅與固氮調節有關，但我們的研究發現，鋅水平的變化反過來啟用FUN，然後控制大量關閉固氮的基因，」合著者、ENSA研究員Kasper Andersen博士說。
「因此，去除FUN會創造一種條件，在這種條件下，植物不再停止固氮。」
這項研究由澳洲拉籌伯大學和丹麥奧胡斯大學的科學家領導，並與歐洲同步放射線設施(ESRF)、西班牙植物中心Biotecnología y Genómica和馬德裏波利特拉西尼亞大學(UPM)合作。
研究人員現在正在調查普通的豆科作物，如大豆和豇豆，在失去FUN活性時表現如何。
參考文獻
Zinc mediates control of nitrogen fixation via transcription factor filamentation
