科学家发现豆科植物的基因关闭开关限制了生物获取营养物质的能力

一组国际科学家首次发现了一种基因“关闭开关”，可以关闭豆科植物将大气中的氮转化为营养物质的过程。

豆类植物，如豆子、豌豆和扁豆，是农作物中独一无二的一种，因为它们能够与土壤细菌相互作用，将氮转化或“固定”为可用的养分。然而，当土壤中氮已经通过自然过程或施用合成肥料而丰富时，这种耗能的生物过程就会减少。

最新发现的基因调节剂可以在土壤硝酸盐含量高时关闭固氮作用，使科学家能够去除模型豆科植物中的该基因，确保它们无论土壤环境如何都能继续固氮。

提高豆科植物的生物固氮能力有助于提高作物的生长和产量，同时减少对合成肥料的需求，从而减少农业的环境足迹。

该项研究是国际“农业营养共生”(ENSA)项目的一部分，研究结果发表在《自然》杂志上。

“从农业角度来看，持续的固氮可能是一种有益的特性，它能增加氮的可用性，无论是对豆科植物还是对依赖豆科植物生长后留在土壤中的氮的未来作物来说都是如此，”主要作者、拉筹伯大学讲师、拉筹伯可持续农业和食品研究所 (LISAF) 和动物植物和土壤科学系研究小组组长、ENSA 研究员 Dugald Reid 博士说。

“这有助于为未来的研究奠定基础，为我们提供管理农业系统的新方法，以减少氮肥的使用，增加农场收入并减少氮肥使用对环境的影响。”

研究团队对15万株基因被敲除的豆科植物进行了筛选，以确定植物如何控制从氮固定到土壤氮吸收的转变，从而发现了一种被称为“硝酸盐固定”(FUN)的调节剂。

FUN 是一种转录因子基因，可以控制其他基因的水平。研究发现，无论 FUN 处于活性状态还是非活性状态，也无论氮含量如何，它都存在于豆科植物中。

“作为研究的一部分，我们为温室中的数千株植物设计了一个基因筛选，以识别将环境触发因素与生物信号联系起来的基因，”论文共同作者、ENSA 研究员 Jieshun Lin 博士说。

“通过增加模型豆科植物的硝酸盐含量，我们能够识别出那些固氮调节受损的植物，并发现 FUN 突变体。”

随后，研究小组结合生物化学、基因表达研究和显微镜技术，发现 FUN 在不活跃时会形成长长的蛋白质丝。

这导致了第二次发现：锌水平在触发 FUN 变得活跃并关闭氮固定方面发挥了作用。

“我们发现改变土壤中的氮含量会改变植物体内的锌含量。此前，人们并未将锌与氮固定的调节联系起来，但我们的研究发现，锌含量的变化反过来会激活 FUN，进而控制大量关闭氮固定的基因，”论文合著者、ENSA 研究员 Kasper Andersen 博士说道。

“因此，去除 FUN 会导致植物不再关闭氮固定。”

该研究由澳大利亚拉筹伯大学和丹麦奥胡斯大学的科学家领导，并与欧洲同步辐射装置 (ESRF)、西班牙植物生物技术和基因组研究中心以及马德里理工大学 (UPM) 进行了合作。

研究人员目前正在研究大豆和豇豆等常见豆科作物在失去 FUN 活性时的表现。