下一代生物传感器揭示赤霉素在豆科植物固氮中的关键作用

剑桥大学的研究人员已经证明，植物激素赤霉素 (GA) 对豆科植物固氮根瘤的形成和成熟至关重要，并且还可以增加根瘤的大小。他们确定了 GA 控制根瘤的形成、生长和功能的具体时间和位置。这些发现有助于通过确定 GA 必不可少的区域来调和相互矛盾的报告，这些报告表明 GA 既抑制根瘤形成，又是根瘤形成所必需的。

小麦、玉米和水稻等谷类作物是氮耗量大的作物，严重依赖合成肥料来满足其氮需求。然而，合成氮肥的生产需要大量能源，对农民来说成本高昂，并且会造成水污染等负面环境影响。

与谷物不同，豌豆、豆子和豆类等豆科植物可以通过与固氮细菌的天然共生关系获得自身的氮，形成侧根衍生器官，称为根瘤。这种固氮能力还使豆科作物的蛋白质含量更高，使其更适合人类食用。

然而，当土壤的氮浓度相对较高时，豆科作物就会停止产生根瘤，因此可能无法获得更高的产量。

世界各地的科学家正在研究如何提高豆科植物的产量，并将固氮能力从豆科植物转移到谷物，但这涉及揭示和理解根瘤形成和固氮所涉及的复杂的遗传和生化途径。

在《植物细胞》上发表的研究中，剑桥大学塞恩斯伯里实验室 (SLCU) 的 Alexander Jones 博士的研究小组和作物科学中心的 Giles Oldroyd 教授的研究小组朝着这一目标迈出了重要一步，揭示了控制固氮根瘤发育、形态和功能的 GA 动态。

琼斯博士说：“关于 GA 在根瘤共生中的作用，有一些令人困惑和矛盾的报告。实验表明，在蒺藜苜蓿等豆科植物中，添加 GA 会减少结瘤，而去除 GA 会增加结瘤，这表明 GA 对结瘤有拮抗作用。但豌豆中也存在一种豆科植物突变体，它产生的 GA 较少，结瘤也较少，这表明 GA 在某种程度上是结瘤所必需的。”

“这些相互矛盾的结果表明，GA 的空间-时间模式可能存在一些问题。例如，可能存在 GA 需要存在于某些特定位置，而 GA 又不能存在于某些特定位置。或者 GA 的精确浓度很重要。”

利用Jones Group 开发的高灵敏度新一代生物传感器 nlsGIBBERELLIN PERCEPTION SENSOR 2 (GPS2)，Colleen Drapek 博士能够准确地看到 GA 出现的时间和地点，以及出现的相对浓度。她发现 GA 在感染根瘤菌的紫花苜蓿的根瘤原基(根皮层中细胞在根瘤形成早期开始分裂的区域)中积累。

Drapek 博士说：“在根瘤形成之初，你会看到根瘤原基中 GA 的积累，但根部其他地方的 GA 却很少。随着根瘤的进一步发育，你会看到 GA 以相当高的浓度积累，并在成熟根瘤中保持高水平。”

Drapek 博士利用 GA 和共生苜蓿突变体进一步测试了 GA 的作用，方法是针对分解 GA 或合成 GA 的酶的过度表达。前者的结果是没有形成根瘤，而后者的根瘤更大。她补充说：“这表明 GA 对根瘤非常重要，但其功能特定于根瘤开始的区域，而不是周围区域。我们知道低 GA 对根部的初始根瘤菌感染有好处，但之后需要 GA 的存在才能进行根瘤形成过程并使根瘤成熟。”

在 SLCU 的 Oldroyd 小组由 Katharina Schiessl 博士进行的早期研究中，结果表明植物形成侧根和固氮根瘤的发育程序存在重叠。

Oldroyd 教授表示：“这些最新发现表明，GA 在根部积累是根瘤发育所特有的，因此可能是根瘤特定发育的关键转变。这些对于我们尝试将固氮转移到木薯和谷物等其他作物至关重要。”