植物分子CLE多肽生物研究成果 可解决肥料环境污

2021-07-10 16:03 小瑞

  美国博伊斯汤普森研究所与美国康乃尔大学研究团队以植物体调控菌根菌生长的机制作为研究契机,发现植物体会产生CLE多肽,并找出影响丛枝菌根菌共生的2项关键基因;经研究解开植物与真菌共生关系,将有助于未来减少肥料的施用与降低环境污染。

植物分子CLE多肽生物研究成果 可解决肥料环境污染问题

  虽然肥料内含有氮、磷等可促进作物生产的成分,然而不当施肥将会造成农地及周边环境污染的问题。农地中无法吸收的肥料将随着地下水影响周边水域,肥料成分之一的磷一旦渗入周边水域,将促进水中藻类生长形成优养化现象,此过程将消耗水中溶氧,使需氧的水生生物因缺氧而大量死亡,造成环境、生态等问题。为解决肥料造成环境污染的问题,除尽可能地减少含磷肥料的施用外,透过了解植物遗传及生理机转,提升植物体对营养物质的吸收力,将是另一种可行的做法。

  美国博伊斯汤普森研究所(Boyce Thompson Institute)与美国康乃尔大学(Cornell University)的研究团队由分子生物学的角度着手,找到可影响植物丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza,简称AM)真菌相组成的关键基因,并发现此关键基因的调控可改变根部真菌菌相组成与植物—真菌间的共生模式,以此调节植物根部对于营养素的吸收力,进而减少因肥料施用造成周边环境的负荷。

  丛枝菌根菌(arbuscular mycorrhiza fungi,简称AMF)又称为内生菌根菌,属于共生在植物根系的共生真菌之一。丛枝菌根菌可以自身吸收的氮、磷等元素,与植物体换得菌体生长所需的脂肪酸,彼此间以此模式共生。然而,由于植物提供脂肪酸的过程需付出相对较高的代价,因此找出能提高植物体获取来自丛枝菌根菌的氮、磷等物质的方法或提高植物-共生真菌间的物质交换效率的做法,将有助于减少额外氮源、磷源的施用。

  研究团队为此首先研究植物体调控菌根菌生长的机制,发现植物体会产生一群小分子量多肽,称为CLAVATA3/ESR-related (CLE) peptides,简称CLE多肽。小分子的CLE多肽存在于整个植物界(plant kingdom),在植物生长与对抗逆境时扮演一定的功能。研究团队在负责生合成CLE多肽的基因中找到两个能影响丛枝菌根菌共生的关键基因,分别为CLE53及CLE33.CLE53可在植物根系有共生根菌存在时增加表现,以减少菌根菌拓殖(colonization)率;而CLE33可在磷源足够的情况下增加表现,以减少菌根菌拓殖率。

  研究团队同时也发现上述CLE多肽需透过特殊的类受体激酶(receptor-like kinase)──SUNN,方能发挥完整多肽功能。研究也发现CLE是透过调控某种称作独角金萌发内酯(strigolactone)的贺尔蒙物质在植物根部的含量,以减少植物根部共生真菌的拓殖率。藉由CLE-SUNN-strigolactone所构成的回馈调控机制,将能改变植物体—丛枝菌根菌的共生关系,进而改善植物体对氮、磷等元素的摄取效率,减少肥料的施用。【延伸阅读】细菌降低除草剂污染之机制

  研究团队藉由撇清CLE-SUNN-strigolactione三者在植物—真菌共生关系中所扮演的调控、回馈关系,将有助于未来减少肥料的施用与降低环境污染。

  该研究由美国国家科学基金会(US National Science Foundation)、美国能源部(US Department of Energy)、瑞士国家科学基金会(Swiss National Science Foundation)、德国科学基金会(German Research Foundation)等单位资助,相关研究成果与详细遗传调控回馈机制已发表在《Nature Plants》自然杂志。

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