Nature:首次發(fā)現一種基因“關(guān)閉開(kāi)關(guān)”,限制了生物獲取營(yíng)養的能力

【字體: 時(shí)間:2024年06月28日 來(lái)源:AAAS

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  一個(gè)國際科學(xué)家小組首次發(fā)現了一種基因“關(guān)閉開(kāi)關(guān)”,它可以關(guān)閉豆科植物將大氣中的氮轉化為營(yíng)養物質(zhì)的過(guò)程。

  

一個(gè)國際科學(xué)家小組首次發(fā)現了一種基因“關(guān)閉開(kāi)關(guān)”,它可以關(guān)閉豆科植物將大氣中的氮轉化為營(yíng)養物質(zhì)的過(guò)程。

豆類(lèi)、豌豆和扁豆等豆類(lèi)在作物中是獨一無(wú)二的,因為它們能夠與土壤細菌相互作用,將氮轉化或“固定”為可用的營(yíng)養物質(zhì)。然而,當土壤中通過(guò)自然過(guò)程或通過(guò)施用合成肥料已經(jīng)富含氮時(shí),這種能源密集型生物過(guò)程就會(huì )減少。

最新發(fā)現的基因調節因子可以在土壤硝酸鹽含量高時(shí)關(guān)閉固氮作用,這使得科學(xué)家們可以去除模型豆科植物中的基因,確保它們無(wú)論土壤環(huán)境如何都能繼續固氮。

提高豆科植物固氮的生物能力有助于提高作物生長(cháng)和產(chǎn)量,同時(shí)也減少了對合成肥料的需求,而合成肥料會(huì )增加農業(yè)的環(huán)境足跡。

這項研究的結果發(fā)表在《自然》雜志上,該研究是國際農業(yè)中促進(jìn)營(yíng)養共生(ENSA)項目的一部分。

“從農業(yè)的角度來(lái)看,持續的固氮可能是一個(gè)有益的特性,可以增加氮的可用性,無(wú)論是對豆類(lèi)還是對豆類(lèi)種植后依賴(lài)土壤中氮的未來(lái)作物,”首席作者Dugald Reid博士說(shuō)。

“這有助于為未來(lái)的研究奠定基礎,為我們管理農業(yè)系統提供新的方法,以減少氮肥的使用,增加農業(yè)收入,減少氮肥使用對環(huán)境的影響!

ENSA項目目前由比爾和梅琳達·蓋茨農業(yè)創(chuàng )新公司(Gates Ag One)資助,這是一個(gè)非營(yíng)利性組織,投資于突破性的農業(yè)研究,以滿(mǎn)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(wàn)株豆科植物后,研究小組發(fā)現了這種被稱(chēng)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(chēng)為轉錄因子的基因,控制著(zhù)其他基因的水平。研究發(fā)現,無(wú)論它是活躍還是不活躍,也無(wú)論氮水平如何,它都存在于豆類(lèi)中。

“作為研究的一部分,我們?yōu)闇厥抑械臄登ХN植物設計了一個(gè)基因篩選,以識別將環(huán)境觸發(fā)因素與生物信號聯(lián)系起來(lái)的基因,”該論文的合著(zhù)者、ENSA研究員Jieshun Lin博士說(shuō)。

“通過(guò)增加模型豆科植物可用的硝酸鹽水平,我們能夠識別那些固氮調節受損的豆科植物,并發(fā)現FUN突變體!

然后,研究小組使用生物化學(xué)、基因表達研究和顯微鏡相結合的方法發(fā)現,FUN在失活時(shí)形成長(cháng)長(cháng)的蛋白質(zhì)細絲。

這導致了第二次發(fā)現,鋅水平在觸發(fā)FUN變得活躍和關(guān)閉固氮方面發(fā)揮作用。

“我們發(fā)現改變土壤氮會(huì )改變植物中鋅的含量。以前沒(méi)有發(fā)現鋅與固氮調節有關(guān),但我們的研究發(fā)現,鋅水平的變化反過(guò)來(lái)激活FUN,然后控制大量關(guān)閉固氮的基因,”合著(zhù)者、ENSA研究員Kasper Andersen博士說(shuō)。

“因此,去除FUN會(huì )創(chuàng )造一種條件,在這種條件下,植物不再停止固氮!

這項研究由澳大利亞拉籌伯大學(xué)和丹麥奧胡斯大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導,并與歐洲同步輻射設施(ESRF)、西班牙植物中心Biotecnología y Genómica和馬德里波利特拉西尼亞大學(xué)(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(shí)表現如何。


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