Undersøgelse kaster lys over, hvordan planter får deres nitrogenfix

Bælgplanter er en udbredt familie af planter, der tjener som en væsentlig kilde til kostprotein, fiber, og andre vigtige næringsstoffer. De opnår nitrogen gennem en specialiseret proces kendt som nodulation, et symbiotisk partnerskab, hvor jordbakterier inficerer roden af ​​en plante, danner løglignende knuder, og omdanne nitrogen til en plantevenlig form. At forstå, hvordan nodulation reguleres, kan hjælpe miljøbestræbelserne på at forbedre effektiviteten af ​​bælgplanter og reducere behovet for kemisk gødning.

I en undersøgelse offentliggjort i Naturkommunikation , forskere ved University of Tsukuba har nu identificeret en nøgle genetisk vej i bælgplanten Lotus japonicus, der kontrollerer nodulation som reaktion på nitrogenniveauer i jorden.

Kvælstof er et vigtigt element for alle levende organismer, som det bruges til at lave livets organiske byggesten:DNA, RNA, og protein. Til bælgfrugter, opnåelse (eller "fiksering") af nitrogen via knuder har en pris, fordi planten skal bruge energi og ressourcer på at opretholde bakterierne. På grund af denne afvejning, bælgfrugter skal opretholde en finjusteret balance af nodulation.

"Rodknuder dannes som reaktion på lave jordniveauer af fikserede nitrogenmolekyler som nitrat, " hovedforfatter Hanna Nishida forklarer. "Når koncentrationen af ​​jordnitrat stiger, bælgfrugter kan reagere ved at hæmme rodnodulation. Mekanismen for dette svar var ukendt, selvom, så vores mål var at finde ud af, hvordan nitratafhængig regulering sker i disse anlæg. "

Forskerholdet udførte en genetisk screening, kemisk mutation af L. japonicus -gener og søgning efter mutationer, der gjorde knuder ikke reagerer på nitrat. De fandt et gen, som de kaldte nitrat-unresponsive symbiose 1 (NRSYM1), at når det muteres får bælgplanten til at fortsætte med at danne nye knuder, selv når nitrat er i jorden. Ud over, de fandt ud af, at den samme mutation forstyrrer regulering af knuder ved flere andre vigtige kontrolpunkter - i planter med mangel på NRSYM1, nitrat kan ikke længere forhindre væksten af ​​eksisterende knuder, forhindre knuder i at fiksere nitrogen, eller forhindre bakterier i at inficere rødderne i første omgang.

Efter at have bekræftet NRSYM1's væsentlige rolle, holdet satte sig for at finde ud af, hvordan det udfører sine mange virkninger på nodulation. De fastslog, at NRSYM1 koder for en transkriptionsfaktor - et protein, der, i nærvær af nitrat, aktiverer direkte et andet gen, der forhindrer nye knuder i at dannes. Mens forbindelsen mellem NRSYM1 og de andre kontrolpunkter stadig er uklar, forskerne mener, at deres undersøgelse danner grundlaget for fremtidige opdagelser.

"Kontrol af rodnodulation er en kompleks proces, der sandsynligvis involverer flere signalveje, ", bemærker den tilsvarende forfatter Takuya Suzaki. "Vores opdagelse af, at NRSYM1 er en nitratfølsom regulator af genekspression er vigtig, da det åbner døren til at finde andre genetiske mål reguleret af denne faktor. Vi ser dette som et væsentligt skridt fremad i at forstå, hvordan bælgplanter reagerer på jordens nitrogen, og vi håber, at dette vil hjælpe med at informere avlsprogrammer og genteknologiske indsatser, der sigter mod at forbedre afgrødeeffektiviteten."