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植物如何感知磷酸盐

发布时间:2021-09-22 23:00:12

波恩大学和Gatersleben植物遗传与作物研究所(IPK)在莱布尼茨的一项新研究揭示了植物用来监测营养盐的可用性的机制,并决定何时激活和从土壤中吸收更多的磷酸盐的策略。酶ITPK1在这一过程中起着关键作用。研究人员还能够证明,参与磷酸盐感应的一组特定信号分子对磷酸盐非常敏感,这种调节不仅发生在植物中,而且也发生在人类细胞中。从长远来看,研究结果可能导致培育需要较少磷肥的新作物品种。该研究的最终版本现已发表在《分子植物》杂志上。

磷酸盐是所有生物必需的矿物质元素。同时,地球上适合化肥生产的磷酸盐资源有限,不可再生的估计表明,磷酸盐矿床可能在未来300年内枯竭。当谈到磷酸盐时,人们可能会想到的另一个问题是,农业中使用的磷酸盐会污染河流、湖泊和海洋等水生生态系统。原因是:水体中磷酸盐等营养物质含量的增加,即所谓的富营养化,会导致藻类过度生长,最终导致这些生态系统中氧气的耗尽。

因此,减少农业中的磷酸盐投入(不会对产量产生负面影响)将有两个好处:磷酸盐储量可以持续更长时间,更少的磷酸盐最终会流入湖泊和海洋。为了实现这一目标,研究人员正在研究提高作物磷效率的策略。这意味着,植物可以更有效地调动、吸收并在必要时回收磷酸盐。

植物监测它们的磷酸盐储备

植物和其他生物体用来识别它们是否有足够的磷酸盐来运行其细胞过程,或者是否必须从土壤中吸收更多的这种养分的确切机制在很大程度上是未知的。近年来,科学家们发现植物并不直接感知磷酸盐,而是通过信号分子InsP8(一种焦磷酸肌醇)间接感知磷酸盐。所谓的SPX蛋白有助于这一点。莱布尼茨植物遗传学和作物研究所(IPK)DFG资助的首席研究员里卡多·吉尔(Ricardo Giehl)博士说:“这些结果表明,像InsP8这样的焦磷酸肌醇可以作为整个植物磷酸盐状态的代表。”。

然而,目前还不清楚植物是如何产生InsP8及其前体InsP7的。为了解决这个难题,波恩大学的研究小组最近使用了一个基因把戏:科学家们用baker的酵母来表达相关的植物激酶,即能够将磷酸残基从细胞的“能量货币”转移到其他底物的酶。通过这种方法,他们确定ITPK1是一种假定的InsP6激酶,用于启动重要的信号分子。

在这项新的研究中,科学家们表明,ITPK1酶确实在足底起到了功能性InsP6激酶的作用,并生成5-InsP7,即InsP8的直接前体。研究人员还能够证明肌醇焦磷酸盐的合成对磷酸盐反应非常敏感,并且这种调节不仅发生在植物(包括苔藓)中,而且也发生在人类细胞中。

“因为肌醇焦磷酸盐是非常不稳定的,我们只能在几年前在我们的实验室中开发出一种新的方法来检测它们,”来自波恩大学作物科学与资源保护研究所(InRes)的Esther Riemer和该研究的第一作者解释道。Ricardo Giehl博士说:“ITPK1可以启动InsP8的合成,抑制磷酸盐的获取,也可以作为ATP合酶,最终关闭InsP8信号,从而激活磷酸盐的动员和吸收,这取决于细胞的能量状态,因此也间接取决于可用的磷酸盐量。”。

在由佛雷堡大学有机化学研究所的Henning Jessen博士领导的研究小组开发的一种新的质谱方法的帮助下,科学家们还发现了新的植物肌醇焦磷酸盐。Esther Riemer说:“这些包括异构体4/6-InsP7。尽管我们仍然不知道它在植物中起什么作用,但这种类型的焦磷酸肌醇似乎不参与调节磷酸盐缺乏反应。”。

论可持续作物生产之路

波恩大学研究所的Gabriel Schaaf博士说:“这项研究和之前的研究结果对我们理解生物体如何感知磷缺乏以及生理反应如何产生取决于能量状态产生了深远的影响。”“我们的工作提供了新的育种目标,并为如何使用新的育种方法(如基因组编辑)来提高磷酸盐利用效率开辟了途径,从而有助于更环保和资源节约型的作物生产。”

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