科学家发现了一种能激活植物对氮缺乏反应的蛋白质

研究人员发现了一种植物酶，它是激活硝酸盐吸收机制以应对氮饥饿的关键。这一发现解释了植物如何在具有挑战性的环境中满足它们的需求，为在这种环境中改进农业打开了大门。

　　

硝酸盐对植物的生长至关重要，因此植物已经进化出复杂的机制来确保从环境中摄取足够的硝酸盐。日本名古屋大学（Nagoya University）的研究人员在发表在《自然植物》（Nature Plants）杂志上的一项新研究中发现了一种植物酶，这种酶是在氮饥饿时激活硝酸盐吸收机制的关键。这一发现解释了植物如何在具有挑战性的环境中满足它们的需求，为在这种环境中改进农业打开了大门。

当植物环境中的硝酸盐含量丰富时，一种植物可以依靠被植物生物学家称为“低亲和力转运系统”的机制来达到足够的硝酸盐吸收水平。但是当硝酸盐在植物的局部环境中变得稀少时，它可能需要转向一种更强大的硝酸盐吸收机制，称为“高亲和力转运系统”。在拟南芥植物中，NRT2.1蛋白作为植物生物学研究的模式生物，在高亲和力转运系统中起着重要作用。有趣的是，当拟南芥植物合成NRT2.1蛋白时，它们首先产生一种无活性的蛋白质，当需要高亲和力的运输系统时，这种蛋白质可以被激活。

这种无功能蛋白质的合成引起名古屋大学的Yoshikatsu Matsubayashi博士的兴趣，但他在蛋白质合成的准备过程中看到了某种逻辑；他指出，“当氮缺乏时蛋白质不能被合成。”换句话说，植物需要在氮缺乏需要使用这些蛋白质之前，在高亲和力的运输系统中合成蛋白质，因为氮缺乏本身使得合成新的蛋白质变得困难。为了更好地理解这个非凡的系统，Matsubayashi博士和他的同事们开始鉴定在氮饥饿时激活NRT2.1的蛋白质。

以前的研究表明，在植物根系中发现的一种叫做CEP的肽在激活对氮饥饿作出反应的生化途径中起着重要作用，因此，研究人员将研究重点放在CEP及其下游的CEPD通路上。他们的实验很快就将注意力吸引到一种名为At4g32950的蛋白质上。研究人员发现，这种蛋白质通过激活NRT2.1蛋白来应对氮饥饿。它通过从NRT2.1蛋白质的特定位置去除磷酸基来实现这种激活，因此研究人员决定给At4g32950蛋白质起一个新名字：CEPD诱导的磷酸酶，简称“CEPH”。

CEPH主要存在于拟南芥植物根表面附近的细胞中，这是激活系统的最佳位置，该系统进化为从环境中快速吸收硝酸盐。正如预期的那样，使用实验室方法去灭活编码CEPH的基因会损害拟南芥植物利用高亲和力运输系统快速吸收硝酸盐的能力，这意味着修饰后的植物体内硝酸盐含量较低，并且生长得较小，这些结果表明，CEPH通过激活NRT2.1蛋白在氮饥饿反应中起关键作用。Matsubayashi博士认为CEPH作为一种基因工程工具具有相当大的潜在效用，他指出，“人工增强CEPH的活性可以使科学家创造出即使在低营养水平的土壤中也能生长的植物。”这样的发现可能会改变农业和粮食安全的处理方式

Journal Reference:

1. Yuri Ohkubo, Keiko Kuwata, Yoshikatsu Matsubayashi. A type 2C protein phosphatase activates high-affinity nitrate uptake by dephosphorylating NRT2.1. Nature Plants, 2021; 7 (3): 310 DOI: 10.1038/s41477-021-00870-9