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。