2021年2月2日,在線發表了北京農業學院資環大學朱毅勇院長與名古屋學院木下俊則()院長合作的論文“H+-riceyieldviaofand”。該研究發覺,在玉米中過抒發細胞膜質子泵OSA1既可以促使根系對氮素等養分的吸收,又可以減小莖稈的氣孔開度,因而提高了小麥的氮素借助效率和光合作用速度,明顯增強了小麥的產值。這一研究為農小麥養分高效借助提供了理論基礎,也為減輕因過度澆水引起的環境污染問題及延緩溫室效應提供了新的思路。
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細胞膜質子泵又稱為細胞膜質子ATP酶(PMH+-),是一種細胞中普遍存在的酶,它借助ATP酯化形成的能量將氫離子排出細胞,為細胞膜內外養分等物質的運輸提供膜電位和質子驅動力,質子泵在植物體中具有強悍的生理功能。本研究首先確立了質子泵參與馬鈴薯對銨態氮營養的吸收調節細胞膜電位,明晰了過抒發質子泵基因OSA1可以促使馬鈴薯對銨的獲取與同化。同時細胞膜電位,因為質子泵還參與了氣孔對光響應的訊號傳導,因而過抒發質子泵基因OSA1也可以減小莖稈氣孔開度,提高莖稈對氧氣的吸收,促使光合作用速度。大田實驗結果表明,OSA1過抒發作物產值明顯降低,氮素借助率也大幅度提高;而OSA1功能敲除的玉米突變體株系表現出與過抒發小麥相反的表型。轉錄組測序結果表明,過抒發OSA1后明顯提高了鱗莖中與碳氮代謝相關的重要基因的轉錄水平。另外,本研究還發覺OSA1過抒發小麥可以同時提升其他養分(比如磷和鉀)的吸收,為進一步探究小麥養分吸收的機理提供了理論基礎。
圖1.過抒發OSA1明顯降低了小麥的有效雌花數和產值
圖2.過抒發OSA1推動小麥銨態氮借助與光合作用的model。
過抒發OSA1提供了更多的質子驅動力推動根系對銨態氮的吸收。通過將銨同化形成的H+及時排出細胞膜外,推動了銨態氮的同化,并進一步保障了銨的吸收。另一方面,過抒發OSA1減小了莖稈氣孔開度,推動了甲烷的吸收。莖稈光合作用的提升可以為氮素代謝提供更多的碳源,而氮素代謝的推動又為莖稈光合作用提供更多的氮源,從而促使小麥的生長。
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