“营养搬运工”：让植物协调生长
植物是通过何种方式远程协调不同组织器官间的信号交流，使其在不同环境下相互协调地生长发育呢？中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员傅向东课题组日前发现，一种名为HY5的蛋白能够从植物地上部移至植物根系，如同一名在植物地上与地下部分之间穿梭的“营养搬运工”，促进植物根系的生长发育，并增加对土壤中氮的吸收。
研究还揭示了植物地上部和根系间远程协调生长发育及碳—氮平衡调控的分子机制，为未来提高农作物氮肥利用效率提供了一种新策略，相关成果近日在线发表于《Current Biology》。
揭示长距离信号传导分子机制
众所周知，碳、氮是植物的主要营养源，在长期进化过程中，已形成复杂而精细的调控机制，使植物达到整体协调与平衡，保证正常生长发育及适应外界环境变化。植物依赖地上部分的光合作用以固定碳源，并让根系可以从土壤中吸收氮源。二者之间既相互促进，又相互制约。
傅向东告诉《中国科学报》记者，他们首先发现光能促进拟南芥的地上部和根系协同生长发育，而自然生长的植物根系一般不能直接见光，根系的生长依赖于某种从植物地上部长距离转运来的信号分子。
为了找到这种信号分子，研究组通过遗传诱变筛选，获得了改变地上部和根系协调生长发育的拟南芥突变体，进一步通过图位克隆和遗传互补实验证实了这种突变表型是由于一个编码为HY5转录因子的基因突变所造成。
科研人员通过嫁接试验发现，HY5长距离信号传导机制是维持植物碳—氮平衡的关键。傅向东解释，植物根系生长发育受光照的影响，而根系氮吸收又能提高地上部光合作用的效率，长距离移动的HY5蛋白整合了碳、氮代谢信号，以维系植物在可变光照环境下的碳—氮动态平衡，从而保证了植物生长发育的可塑性和环境适应性。
认识植物对可变环境的适应
在自然环境中，光照是个可变环境因子，这意味着植物地上部光合作用固定的碳源也是动态变化的，那么植物根系生长和氮吸收是否也是动态变化的呢？
带着这个问题，博士陈祥彬等分析了不同光变化对拟南芥根生长和氮吸收的影响，结果发现植物根系生长和氮吸收受植物地上部光照强度调控。
“HY5蛋白是植物光信号传递途径的关键元件，它本身不仅受到光的调控，也受到其他环境因素和植物激素的共同调控，对人们深入认识植物的生长发育及环境适应性分子机理具有积极意义。”陈祥彬说。
此外，傅向东还指出，农作物密植也是提高作物产量的重要途径之一，HY5远程调控植物地上部和根系间协同生长发育及碳—氮平衡，对进一步实现密植条件下产量提升和养分合理分配具有重要指导意义。
提升农作物氮肥利用新策略
作为促进植物生长发育所必需的重要营养元素之一，氮元素是氨基酸、蛋白质、核酸、叶绿素、激素等的重要组成成分。
在农业生产中，氮肥对提高农作物的产量、改善农产品质量至关重要。然而，施用过多的氮肥不仅增加种植成本，而且会污染环境。
“一般来讲，只有小部分氮肥被植物吸收，大部分的氮肥则被释放到大气或流失到水体中，提高农作物的氮肥利用效率已成为农业可持续发展的关键。然而，目前人类对提高农作物氮肥利用效率的分子基础认识还非常有限。”傅向东介绍，如果将这一发现应用到育种实践，有望培育出氮肥高效利用的新品种，提高农作物产量。
“研究还可以进一步指导农作物如何科学施肥，对实现目前国家倡导的‘化肥农药减量而粮食不减产’目标有突出意义。”傅向东说。（来源：中国科学报 马卓敏）
Shoot-to-Root Mobile Transcription Factor HY5 Coordinates Plant Carbon and Nitrogen Acquisition
Abstract Coordination of shoot photosynthetic carbon fixation with root inorganic nitrogen uptake optimizes plant performance in a fluctuating environment. However, the molecular basis of this long-distance shoot-root coordination is little understood. Here we show that Arabidopsis ELONGATED HYPOCOTYL5 (HY5), a bZIP transcription factor that regulates growth in response to light, is a shoot-to-root mobile signal that mediates light promotion of root growth and nitrate uptake. Shoot-derived HY5 auto-activates root HY5 and also promotes root nitrate uptake by activating NRT2.1, a gene encoding a high-affinity nitrate transporter. In the shoot, HY5 promotes carbon assimilation and translocation, whereas in the root, HY5 activation of NRT2.1 expression and nitrate uptake is potentiated by increased carbon photoassimilate (sucrose) levels. We further show that HY5 function is fluence-rate modulated and enables homeostatic maintenance of carbon-nitrogen balance in different light environments. Thus, mobile HY5 coordinates light-responsive carbon and nitrogen metabolism, and hence shoot and root growth, in a whole-organismal response to ambient light fluctuations.
原文链接：http://www.cell.com/current-biology/abstract/S0960-9822(16)00051-8?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0960982216000518%3Fshowall%3Dtrue
