增加土壤盐分新发现可能有助于提高作物的恢复能力

盐碱化导致全球歉收。植物死亡，或者生长受阻。瓦赫宁根大学研究中心(WUR)的研究人员发现，局部调节蛋白可以促进盐渍土中的根系生长，从而使植物能够在这些不利条件下生长。

研究结果发表在《植物细胞》杂志上，为进一步研究开发更具弹性的作物品种奠定了重要基础。

几乎四分之一的灌溉农田受到盐碱化的影响。海平面上升、干旱加剧和气温上升加剧了这一问题。植物生理学教授克里斯塔·泰斯特林克说，盐渍土对侧根的发育有不利影响。

“植物需要侧根来吸收水分和养分。调节侧根生长的激素称为生长素。盐会阻碍植物识别这种激素发出的信号的能力，导致侧根发育不足。而且侧根较少根部意味着植物的整体健康状况受到影响，”Testerink说。

激素和侧根生长之间的切换

为什么有些植物物种比其他植物物种受盐胁迫的影响较小?为了回答这个问题，研究人员深入研究了模型植物拟南芥(俗称拟南芥)驱动根部发育的分子机制。

Testerink说：“之前的研究已经表明，LBD16蛋白是植物激素生长素和侧根发育之间的开关。LBD16激活负责侧根发育的基因。在盐渍土中，你会期望生长素的功能变得受损，但LBD16蛋白的水平也会下降。”

拟南芥幼苗从左到右排列代表盐量的增加，表明与野生型(上)相比，lbd16突变体(下)在最佳条件下发育出正常的根系，但在存在盐的情况下侧根形成遇到困难盐。图片来源：伊丽莎·范·维恩

发现替代路线

令人惊讶的是，研究表明，在盐环境下，拟南芥的生长素功能严重降低，而LBD16的水平却上升。Testerink表示，“这表明了驱动该蛋白的替代途径，该途径使植物在盐水条件下仍然能够产生侧根，尽管数量较少。我们通过发现另一种激活剂ZAT6蛋白成功地找到了这条途径。

“这种蛋白质取代了生长素作为调节剂的作用。这一发现为进一步研究侧根中类似的局部分子网络提供了关键基础，这些分子网络有助于植物在压力条件下发挥作用。不仅在盐分条件下，而且在干旱或炎热时期也如此。可以帮助植物育种者改变植物的根部生长，以创造更具弹性的品种。”

机器学习的帮助

研究人员使用机器学习来寻找LBD16激活剂。生物信息学小组的研究员Aalt-JanvanDijk解释了这种计算方法的贡献。“植物中存在数以万计的可能调控LBD16的候选物。就像大海捞针一样。通过预测，更有针对性的搜索成为可能。

“我们将实验中转录因子的数据输入机器学习模型。然后该模型使用模式来预测特定转录因子是否调节另一个转录因子。这缩小了可能候选者的范围。进行实验测试使我们能够识别ZAT6作为LBD16的新监管者。”

CropXR的进一步发展

VanDijk表示，将实验数据和机器学习相结合在植物研究领域是一项新技术。CropXR研究项目将继续采用这种方法。“在CropXR中，我们将在未来十年与乌得勒支大学、代尔夫特大学和阿姆斯特丹大学(UvA)合作，共同开发基础知识和方法，以开发更具弹性的作物。

VanDijk表示：“除其他方法外，我们将使用机器学习与机械模型相结合的方法。这些模型包含有关潜在生理和细胞过程以及因果关系的知识。然后可以通过有针对性的实验来测试这些模型做出的预测。”

干旱和气温上升

Testerink表示，在CropXR中，重点并不是盐碱化，而是气候变化带来的其他挑战，例如炎热和干旱。另一篇论文目前仅作为预印本[在bioRxiv上]提供，描述了我们对高温和缺水条件下植物根系生长的研究。

“我们发现了几个发挥作用的分子因素。但是，为了预测植物如何处理这种胁迫因素的组合，需要进行更广泛的研究。在CropXR项目的前五年，我们将重点关注拟南芥。未来五年，我们将把获得的知识应用于粮食作物。

“我们希望这将使我们能够与该领域的合作伙伴合作开发切实可行的解决方案。