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植物是通過何種方式遠程協(xié)調(diào)不同組織器官間的信號交流，使其在不同環(huán)境下相互協(xié)調(diào)地生長發(fā)育呢？
中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所研究員傅向東課題組日前發(fā)現(xiàn)，一種名為HY5的蛋白能夠從植物地上部移至植物根系，如同一名在植物地上與地下部分之間穿梭的“營養(yǎng)搬運工”，促進植物根系的生長發(fā)育，并增加對土壤中氮的吸收。
研究還揭示了植物地上部和根系間遠程協(xié)調(diào)生長發(fā)育及碳—氮平衡調(diào)控的分子機制，為未來提高農(nóng)作物氮肥利用效率提供了一種新策略，相關成果近日在線發(fā)表于《當代生物學》。
文/馬卓敏（中國科學報記者）
來源：中國科學報（2016年2月23日）
揭示長距離信號傳導分子機制
眾所周知，碳、氮是植物的主要營養(yǎng)源，在長期進化過程中，已形成復雜而精細的調(diào)控機制，使植物達到整體協(xié)調(diào)與平衡，保證正常生長發(fā)育及適應外界環(huán)境變化。植物依賴地上部分的光合作用以固定碳源，并讓根系可以從土壤中吸收氮源。二者之間既相互促進，又相互制約。
傅向東告訴《中國科學報》記者，他們首先發(fā)現(xiàn)光能促進擬南芥的地上部和根系協(xié)同生長發(fā)育，而自然生長的植物根系一般不能直接見光，根系的生長依賴于某種從植物地上部長距離轉運來的信號分子。
為了找到這種信號分子，研究組通過遺傳誘變篩選，獲得了改變地上部和根系協(xié)調(diào)生長發(fā)育的擬南芥突變體，進一步通過圖位克隆和遺傳互補實驗證實了這種突變表型是由于一個編碼為HY5轉錄因子的基因突變所造成。
科研人員通過嫁接試驗發(fā)現(xiàn)，HY5長距離信號傳導機制是維持植物碳—氮平衡的關鍵。傅向東解釋，植物根系生長發(fā)育受光照的影響，而根系氮吸收又能提高地上部光合作用的效率，長距離移動的HY5蛋白整合了碳、氮代謝信號，以維系植物在可變光照環(huán)境下的碳—氮動態(tài)平衡，從而保證了植物生長發(fā)育的可塑性和環(huán)境適應性。
認識植物對可變環(huán)境的適應
在自然環(huán)境中，光照是個可變環(huán)境因子，這意味著植物地上部光合作用固定的碳源也是動態(tài)變化的，那么植物根系生長和氮吸收是否也是動態(tài)變化的呢？
帶著這個問題，博士陳祥彬等分析了不同光變化對擬南芥根生長和氮吸收的影響，結果發(fā)現(xiàn)植物根系生長和氮吸收受植物地上部光照強度調(diào)控。
“HY5蛋白是植物光信號傳遞途徑的關鍵元件，它本身不僅受到光的調(diào)控，也受到其他環(huán)境因素和植物激素的共同調(diào)控，對人們深入認識植物的生長發(fā)育及環(huán)境適應性分子機理具有積極意義。”陳祥彬說。
此外，傅向東還指出，農(nóng)作物密植也是提高作物產(chǎn)量的重要途徑之一，HY5遠程調(diào)控植物地上部和根系間協(xié)同生長發(fā)育及碳—氮平衡，對進一步實現(xiàn)密植條件下產(chǎn)量提升和養(yǎng)分合理分配具有重要指導意義。
提升農(nóng)作物氮肥利用新策略
作為促進植物生長發(fā)育所必需的重要營養(yǎng)元素之一，氮元素是氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸、葉綠素、激素等的重要組成成分。
在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，氮肥對提高農(nóng)作物的產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量至關重要。然而，施用過多的氮肥不僅增加種植成本，而且會污染環(huán)境。
“一般來講，只有小部分氮肥被植物吸收，大部分的氮肥則被釋放到大氣或流失到水體中，提高農(nóng)作物的氮肥利用效率已成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關鍵。然而，目前人類對提高農(nóng)作物氮肥利用效率的分子基礎認識還非常有限?！备迪驏|介紹，如果將這一發(fā)現(xiàn)應用到育種實踐，有望培育出氮肥高效利用的新品種，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。
“研究還可以進一步指導農(nóng)作物如何科學施肥，對實現(xiàn)目前國家倡導的‘化肥農(nóng)藥減量而糧食不減產(chǎn)’目標有突出意義?！备迪驏|說。
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