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如何提高植物生物量:生物学家揭示了营养物质的有效性和生长之间的分子联系

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-05-12 09:15  浏览次数:0
摘 要:植物科学家早就知道,作物产量与氮肥用量成正比,但化肥的增加使用成本高,对环境有害。到目前为止,植物根据氮剂量调整生长的潜
 植物科学家早就知道,作物产量与氮肥用量成正比,但化肥的增加使用成本高,对环境有害。到目前为止,植物根据氮剂量调整生长的潜在机制还不清楚,这是一项有助于促进植物生长和限制肥料使用的关键发现。
 
在一项发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的新研究中,纽约大学基因组学与系统生物学中心的植物基因组科学家发现,植物对环境中氮剂量的感知与其生物量的剂量响应性变化之间的分子联系缺失了一部分。
 
纽约大学的研究人员采用了一种新的方法,研究了随着时间的推移,氮剂量的增加如何引起植物全基因组表达的变化。然后他们用数学模型来研究这个实验装置基因组中数千个基因的信使RNA(mRNA)的变化率。
 
研究人员发现,mRNA对氮剂量的反应动力学受简单的酶动力学原理控制,即酶催化的反应速率,最早由Michaelis Menten于1913年描述。事实上,作者发现Michaelis-Menten动力学可以准确地模拟30%氮剂量反应基因的基因表达变化率。
 
根据经典的Michaelis-Menten动力学模型,改变酶的丰度将影响可能的最大反应速率。因为转录因子建立了从DNA到RNA的基因转录速率,所以它们可以直接与Michaelis-Menten模型中的催化酶相比较。这意味着,增加关键转录因子的丰度应该能够提高氮剂量依赖性基因的表达速度,从而提高植物的生长速度,”纽约大学生物系和基因组与系统生物学中心的卡罗尔和米尔顿·佩特里教授格洛丽亚·科鲁兹说,以及论文的资深作者。
 
研究小组发现,提高转录因子TGA1的水平可以加速氮剂量反应基因的表达速度和植物的生长速度。过度表达TGA1的植物对氮的反应增加了生长速率,其生物量是野生型植物的三倍。
 
 
 
科鲁齐说:“通过利用Michaelis-Menten动力学的经典原理对氮剂量传感的转录组动力学进行建模,我们发现了一个调节基因,其表达增加可能促进低氮土壤中作物的生长。”因为TGA1在植物中保存,包括水稻、西红柿和小麦等作物,我们的发现对提高作物中氮的利用效率有一定的意义,这将有利于农业和可持续发展。”
 
 
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