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苦寻20载,植物硝酸盐信号“开关”找到了

来源:中国科学报2022-09-26 10:21

  “众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处。”对西北农林科技大学生命学院教授刘坤祥来说,苦苦寻找了20年的“他”——植物硝酸盐受体NLP7,经过该团队4年来夜以继日的实验,终于得到了证实,并确定NLP7蛋白是新的植物硝酸盐信号“开关”。

  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。相关研究结果9月23日在线发表于《科学》。

  论文审稿专家认为,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。

  众里寻“他”20年

  “我曾大胆设想,植物内是否存在一个类似荷尔蒙的感受蛋白,可以感受到硝态氮的存在,从而进行下游信号转导。”找到这个硝酸盐感受器一直是刘坤祥的梦想。

  本硕就读于台湾大学的刘坤祥,2003年博士毕业后,随即前往美国哈佛医学院麻省总医院做博士后。在此前硝态氮吸收转运研究的基础上,他开始钻研植物感受硝态氮机制——植物是如何感受硝态氮的?有哪些蛋白分子参与植物感受硝态氮的存在,进而诱导下游基因表达和影响植物生长?

  氮元素是构成生物体最基本的元素之一,没有氮,生物体就无法生存。在农业生产中,硝态氮则是增加农作物产量的重要因素。

  20世纪90年代,科学家就发现植物存在感受硝态氮的能力,并且在基因表达水平上检测到硝态氮不仅是一种营养元素,也可以作为一种信号分子。

  2009年,刘坤祥曾经的实验室发表文章认为,CHL1/NRT1.1蛋白除了膜转运蛋白的功能之外,还存在感受硝态氮的功能,从而影响后面一些基因的表达。

  10多年来,很多研究者都认为CHL1/NRT1.1是硝酸盐的感受器。但刘坤祥一直怀疑,除了CHL1/NRT1.1外,植物应该还存在其他硝态氮感受器。

  2017年,刘坤祥发现一类钙离子依赖的激酶CPK可以感受到外界硝态氮的刺激,影响钙离子浓度变化,进而影响CPK的活性。与此同时,CPK可以通过直接磷酸化NLP调控硝态氮诱导的下游基因表达。

  刘坤祥还在前期实验中发现,在没有硝态氮的情况下,大量表达NLP7或CPK并不会诱导下游基因的表达。因此,他极度怀疑NLP7可以直接感受硝态氮的存在。

  “NLP7蛋白感受硝态氮存在两个可能,首先是NLP7蛋白直接结合硝态氮,其次是有一个所谓的硝酸盐受体可以感受到硝态氮,然后结构发生改变或有某个蛋白和它结合,再去调节NLP7的活性。”刘坤祥解释说。

  经过不懈努力,他的怀疑最终证明是正确的。从设想到怀疑到发现到证明,这一梦想的实现用了20年时间。

  “缘”来是“他”蓦然间

  如何证明NLP7可以直接结合硝酸盐?这个问题一直萦绕在刘坤祥的脑海。

  一次偶然的机会,他认识了美国实验室的一位同事。恰巧那位同事正在用微量热泳动仪(MST)做研究,因此,刘坤祥就托他帮忙用MST去检测硝酸盐是否会结合NLP7。

  由于缺乏经验,第一次实验他们没有发现两者的互作。幸运的是,旁边一位专门做癌症药物筛选的专家听到了他们的对话,发现了实验中的不足,还提供了一些技术上的改进方案,并用仪器证实硝酸盐会和NLP7结合。

  “我非常兴奋,因为这证明了我的设想。正是有这样的发现,我在西北农林科技大学的故事拉开了序幕。”刘坤祥2018年由副校长马建华和时任生命学院院长郁飞引进,并获得了大力支持。

  来到学校后,刘坤祥迅速组建了植物氮素营养团队,全身心投入到NLP7是一种新硝酸盐受体的研究中。刘坤祥回忆说,实验室初创时,需要一台能够测量很小株型植物中硝酸盐含量的机器。在生命学院党委书记刘卫军的推进下,他们从食品学院农业部食品测试中心找到一台离子色谱仪。“在本研究中,由这台机器测定出的结果也用到了文章中,尽管图片不大,但它也是一个非常重要的研究结果。”

  为了增加这项研究的可信度,不少在植物营养研究中不常用到的新技术也得以被应用,比如,在动物细胞测试蛋白结合硝酸盐激活基因表达的实验、表面等离子体共振等实验。这些实验因为在植物营养研究中应用得很少,所以要做大量的设计和测试。但他们最终完成了巨大的工作量,取得了成功。

  “这不是一个人的成功,而是一个团队的成功。”刘坤祥非常赞赏他的团队,“他们专注科研,专心实验,取得了‘1+1>2’的效果,这是我的幸运。”

  团队4年多的努力,证实了刘坤祥的设想,实现了他20年的梦想——找到了硝酸盐的感受器。同时,这个NLP蛋白是一个很特殊的例子,直接就是一个感受器,它可以感受到无机营养盐的存在,可以结合硝酸盐,调控它的活性,这是一个全新的发现。

  刘坤祥计划尽快将在模式植物中发现的植物氮素营养规律应用于农作物或园艺植物育种,为培育高肥料利用效率新品种服务,以减少氮肥消耗,助力国家绿色农业发展和低碳经济发展。(陈彬)

  相关论文信息:

  http://doi.org/10.1126/science.add1104

  《中国科学报》 (2022-09-26 第1版 要闻)

[ 责编:张梦凡 ]
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