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Nature:首次发现一种基因“关闭开关”,限制了生物获取营养的能力

一个国际科学家小组首次发现了一种基因“关闭开关”,它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、豌豆和扁豆等豆类在作物中是独一无二的,因为它们能够与土壤细菌相互作用,将氮转化或“固定”为可用的营养物质。然而,当土壤中通过自然过程或通过施用合成肥料已经富含氮时,这种能源密集型生物过程就会减少。

最新发现的基因调节因子可以在土壤硝酸盐含量高时关闭固氮作用,这使得科学家们可以去除模型豆科植物中的基因,确保它们无论土壤环境如何都能继续固氮。

提高豆科植物固氮的生物能力有助于提高作物生长和产量,同时也减少了对合成肥料的需求,而合成肥料会增加农业的环境足迹。

这项研究的结果发表在《自然》杂志上,该研究是国际农业中促进营养共生(ENSA)项目的一部分。

“从农业的角度来看,持续的固氮可能是一个有益的特性,可以增加氮的可用性,无论是对豆类还是对豆类种植后依赖土壤中氮的未来作物,”首席作者Dugald Reid博士说。

“这有助于为未来的研究奠定基础,为我们管理农业系统提供新的方法,以减少氮肥的使用,增加农业收入,减少氮肥使用对环境的影响。”

ENSA项目目前由比尔和梅琳达·盖茨农业创新公司(Gates Ag One)资助,这是一个非营利性组织,投资于突破性的农业研究,以满足撒哈拉以南非洲和南亚小农的迫切和被忽视的需求。

在筛选了15万株豆科植物后,研究小组发现了这种被称为“Fixation Under Nitrate”(FUN)的调节因子,这些豆科植物的基因被敲除,以确定植物如何控制从固氮到土壤氮吸收的转换。

FUN是一种被称为转录因子的基因,控制着其他基因的水平。研究发现,无论它是活跃还是不活跃,也无论氮水平如何,它都存在于豆类中。

“作为研究的一部分,我们为温室中的数千种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,”该论文的合著者、ENSA研究员Jieshun Lin博士说。

“通过增加模型豆科植物可用的硝酸盐水平,我们能够识别那些固氮调节受损的豆科植物,并发现FUN突变体。”

然后,研究小组使用生物化学、基因表达研究和显微镜相结合的方法发现,FUN在失活时形成长长的蛋白质细丝。

这导致了第二次发现,锌水平在触发FUN变得活跃和关闭固氮方面发挥作用。

“我们发现改变土壤氮会改变植物中锌的含量。以前没有发现锌与固氮调节有关,但我们的研究发现,锌水平的变化反过来激活FUN,然后控制大量关闭固氮的基因,”合著者、ENSA研究员Kasper Andersen博士说。

“因此,去除FUN会创造一种条件,在这种条件下,植物不再停止固氮。”

这项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,并与欧洲同步辐射设施(ESRF)、西班牙植物中心Biotecnología y Genómica和马德里波利特拉西尼亚大学(UPM)合作。

研究人员现在正在调查普通的豆科作物,如大豆和豇豆,在失去FUN活性时表现如何。


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