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硝酸盐是植物生长的必需营养素和信号分子。植物感知细胞内硝酸盐以调整其代谢和生长反应。

2022年9月23日,西北农林科技大学(第一单位)刘坤祥教授课题组和哈佛医学院Jen Sheen课题组合作在Science在线发表题为“NIN-like protein 7 transcription factor is a plant nitrate sensor”的研究论文,该研究确定了植物中的主要硝酸盐感受器。该研究发现所有七种拟南芥 NIN 样蛋白 (NLP) 转录因子的突变都消除了植物的初级硝酸盐反应和发育程序。NIN-NLP7 嵌合体和硝酸盐结合的分析表明,NLP7 通过其氨基末端对硝酸盐的感知被解除抑制。

一种基因编码的荧光分裂生物感受器 mCitrine-NLP7 能够可视化植物中的单细胞硝酸盐动力学。NLP7 的硝酸盐感受器域类似于细菌硝酸盐感受器 NreA。配体结合口袋中保守残基的取代削弱了硝酸盐触发的 NLP7 控制转录、转运、代谢、发育和生物量的能力。总之,该研究表明 NLP7 代表陆地植物中的硝酸盐感受器。

另外, 2022年7月14日,西北农林科技大学王晓杰及康振生共同通讯在Cell在线发布发表题为“Inactivation of a wheat protein kinase gene confers broad-spectrum resistance to rust fungi”的研究论文,该研究鉴定并表征了一种小麦受体样细胞质激酶基因,TaPsIPK1,它赋予了这种病原体的易感性。PsSpg1 是一种对 Pst 毒力至关重要的分泌型真菌效应物,它可以结合 TaPsIPK1,增强其激酶活性,并促进其核定位,从而磷酸化转录因子 TaCBF1d 以进行基因调控。TaCBF1d 的磷酸化改变了其对下游基因的转录活性。在两年的田间试验中,小麦中 TaPsIPK1 的 CRISPR-Cas9 失活赋予了对 Pst 的广谱抗性,而不会影响重要的农艺性状。TaPsIPK1 的破坏导致免疫启动而没有防御反应的组成性激活。综上所述,TaPsIPK1 是一种已知被锈病效应物靶向的易感基因,它具有通过基因改造产生持久抗锈病的巨大潜力。

氮元素是构成生物体最基本元素之一。农业生产中,硝态氮是增加农作物产量的重要因素。植物可以感受到不同浓度的硝态氮,并迅速发生转录水平、代谢水平、激素信号、根系及地上部分的协调生长和生殖生长等方面的变化,从而调控自身的代谢和生长反应。因此,硝态氮不仅是植物必需的矿质营养盐,也是重要的信号分子。

20世纪九十年代,科学家已经可以在基因水平确定硝态氮是一种信号分子,但并不清楚植物感受它的机制。2009年,有科学家发表文章认为CHL1/NRT1.1蛋白除了硝酸盐转运的功能以外,还存在感受硝态氮的功能。随后的十多年,很多研究者都认为CHL1/NRT1.1是硝酸盐的感受器。但刘坤祥根据多年研究认为,CHL1/NRT1.1蛋白不是一个主要的硝酸盐感受器。

在此前研究的基础上,刘坤祥发现了新的植物硝酸盐信号“开关”——NLP7蛋白。2018年,他带领团队和时间赛跑,夜以继日地用科学实验来实证,在今年8月份取得了重大成果,确定NLP7蛋白代表了陆生植物的一种硝酸盐受体。研究表明,NLP家族的NLP2/4/5/6/7/8/9作为转录因子起始了硝酸盐诱导的转录重塑和物质运输、代谢、激素信号转导和根系及地上部分的生长等发育进程。通过新型的分子互作检测方法证实了硝酸盐可以和NLP7蛋白直接互作。设计实验将黄色荧光蛋白—柠檬黄切成两半分别接在NLP7蛋白的两端,可以构成一个荧光硝酸盐感受器,借助它可以用肉眼实现对植物细胞水平的硝酸盐动态观察分析。

该研究的创新点在于:一是发现了NLP7蛋白除了是硝态氮信号途径的转录因子,还具有硝酸盐受体的作用,这不同于以往在细胞膜上发现的硝酸盐受体;二是开发了荧光硝酸盐感受器,方便在细胞水平观察到植物体内硝酸盐的含量和变化。该研究结果的重大意义在于阐明了光合自养植物通过感受硝态氮进而激活植物信号转导网络和生长反应的调节机制,这一发现将为提高作物的氮利用效率,减少化肥使用和能源消耗,减轻由温室气体排放引起的气候变化,进而支持农业的可持续发展提供新的启迪。

文章模式图(图源自Science )

西北农林科技大学生命学院博士生刘孟红、林子炜,师资博士后陈斌卿为共同一作,博士生刘聪为第二作者,硕士生郭阿萍为第三作者,刘坤祥教授为通讯作者。西北农林科技大学旱区作物逆境生物学国家重点实验室、生命学院、未来农业研究院为第一署名单位。

参考消息:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.add1104

(来源:西北农林科大 版权属原作者 谨致谢意)

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