Nature子刊：关键的营养物质帮助植物抵御高温

索尔克的科学家们已经发现了一些控制植物(包括大豆和水稻等重要作物)对全球气温上升的反应的分子机制，发现更高的温度使根系生长得更快，但维持这种增长的速度取决于土壤中高水平的氮和磷。这些发现表明，富含氮和磷的土壤对于促进作物生长和培育有营养的作物是必要的，此外还有助于索尔克的“利用植物倡议”(Harnessing Plants Initiative)的使命，即在气候变化面前培育更有弹性的作物。

　　

全球气温正在上升，专家预测到2050年气温将上升2.7华氏度。因为植物不能调节自己的温度，所以它们对这些温度变化特别敏感。在较高的温度下，植物指示它们的根系生长得更快，形成长长的根系，穿过土壤吸收更多的水和营养。虽然这种反应可能在短期内对植物有帮助，但新的研究表明，从长远来看，这对植物来说是不可持续的，对人类也可能有害。

索尔克研究所的研究人员发现，当某些植物对高温做出快速根系生长的反应时，它们会降低两种重要营养物质——氮和磷的含量，这使得它们在食用时营养不足。与此同时，如果土壤中这些营养物质的含量较低，植物的根系生长就会变慢，对更高的温度也没有充分的反应。

在高温下，根系生长和养分有效性之间相互作用的新分子细节将为索尔克理想植物?的工程提供信息——索尔克利用植物计划创造的碳捕获、气候变化弹性小麦、水稻、玉米和其他作物的集合。

研究结果发表在2024年6月1日的《自然通讯》上。

索尔克大学教授沃尔夫冈·布希说:“全球变暖将导致地球上的温度显著升高，植物不可避免地会做出反应。”沃尔夫冈·布希是这项研究的高级作者，也是“利用植物倡议”的执行董事，也是赫斯植物科学主席。“高温消耗了植物中这些重要的营养物质，这一事实对人类和动物的未来饮食来说是一个真正的问题，当然，在我们努力设计更具弹性的作物时，这也是我们想要考虑的问题。”

植物的生长和发育根据环境温度发生变化，这一过程被称为热形态发生。为了更深入地了解这一过程，索尔克大学的研究人员研究了拟南芥，一种芥菜科的小型开花植物。在早期的实验中，他们注意到这种植物的地上部分，也就是所谓的茎，在高温下长得更长。这让索尔克的研究小组想知道这些温度是如何影响植物的根的，以及水稻或大豆等农作物是否也会有类似的反应。

为了回答这些问题，研究人员调高温度，观察拟南芥、水稻和大豆植物的根系生长。正如拟南芥的茎在高温下加速生长一样，它的根以及水稻和大豆的根也加速了它们的生长。但有一点需要注意:这种快速增长依赖于土壤中丰富的氮和磷。

“氮和磷对植物生长、发育和繁殖至关重要，所以大多数肥料中都含有它们，”该研究的第一作者、Busch实验室的博士后研究员Sanghwa Lee说。“将这些营养物质和热形态发生之间的点联系起来，我们现在可以设计植物并优化肥料，以确保在未来更高的温度下，植物的生长不会受到氮和磷缺乏的限制。”

在拟南芥中，根的快速生长与氮磷水平之间的关系取决于两个蛋白:HY5和NRT1.1。HY5是一种转录因子，一种调节特定基因何时“开启”或“关闭”的蛋白质。HY5监督NRT1.1的遗传指令，NRT1.1是一种感知氮的蛋白质，参与调节磷水平和植物根系生长的协调。

在高温下，HY5和NRT1.1共同作用进行热形态发生。但随着氮磷水平的下降，HY5开始抑制NRT1.1的表达，根系生长减慢。

水稻和大豆都有类似的蛋白质，它们与HY5和NRT1.1有着共同的遗传祖先。Busch说，水稻和大豆版本的HY5和NRT1.1将需要更多的研究，但可能会影响根系生长和营养吸收，类似于拟南芥的HY5和NRT1.1。

“现在很清楚，氮和磷是在高温胁迫下控制根系生长的关键，”Busch说。“在我们努力克服全球变暖给全球不断增长的人口大规模生产营养食品带来的挑战时，这将是至关重要的考虑因素。”

未来，研究人员将更深入地研究水稻、大豆和其他作物，以确定它们的HY5和NRT1.1蛋白是否有相似的反应。他们还将研究以这些蛋白质为目标的方法，并开发出即使在氮和磷都很低的情况下也能继续生长的作物。

其他作者包括索尔克大学的Julia Showalter和Ling Zhang，以及密歇根州立大学的Ga?lle Cassin-Ross和Hatem Rouached。

这项工作得到了索尔克植物利用倡议和密歇根州立大学的支持。