揭示植物如何“覓食氮素”（2020.9.12 eplants）

2020年9月11日，Nature Plants在線發(fā)表了德國萊布尼茨-植物遺傳學(xué)和作物植物研究所的Nicolaus von Wirén教授團隊的題為Auxin-mediated root branching is determined by the form of available nitrogen的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)由于根系局部銨的攝入，引起了質(zhì)外體pH的變化，該變化引發(fā)了不依賴于載體的生長素擴散旁路，從而促進了側(cè)根的出現(xiàn)。該研究揭示了依賴于pH的生長素擴散是一種重要的調(diào)節(jié)機制，從而使根系構(gòu)型能夠隨著土壤中有效養(yǎng)分的時空異質(zhì)性來進行調(diào)整。

值得一提的是，雜志同期配發(fā)了比利時根特大學(xué)Tom beeckman教授的題為A pHantastic ammonium response評述文章。認為該研究是朝著更好地了解植物對硝酸鹽和銨的不同反應(yīng)的機制邁出的重要一步，并將有助于制定提高氮素利用效率的策略，從而減少化肥使用量。

植物根系結(jié)構(gòu)的調(diào)整使植物能夠適應(yīng)土壤中有效養(yǎng)分的時空異質(zhì)性，以便針對性的進行養(yǎng)分吸收。與初生根相比，側(cè)根構(gòu)成了整個根系的大部分，并對外部養(yǎng)分有效性表現(xiàn)出較高的可塑性。輕度缺氮（N）或局部供應(yīng)硝酸鹽、磷酸鹽或鐵形成明顯伸長的側(cè)根，而在局部供應(yīng)銨的情況下，側(cè)根較短，但分枝較高，這表明局部養(yǎng)分的有效性以一種養(yǎng)分特異性的方式影響側(cè)根發(fā)育的不同過程。

盡管改變根構(gòu)型對利用異質(zhì)土壤或施肥后的局部區(qū)域內(nèi)的營養(yǎng)成分很重要，但是我們卻對植物如何將外部營養(yǎng)信號整合到根系發(fā)育程序中的機制知之甚少。

由于側(cè)根發(fā)育的每一個過程，包括起始、形成和伸長，都受生長素的控制，因此出現(xiàn)了生長素如何對自然和農(nóng)業(yè)土壤中局部存在的銨作出反應(yīng)的問題

本文，作者發(fā)現(xiàn)局部供銨刺激了根部維管系統(tǒng)中地上部生長素的積累，并促進了側(cè)根的出現(xiàn)，從而建立了高度分枝的根系。PH和生長素報告活性表明，銨離子轉(zhuǎn)運蛋白介導(dǎo)的銨吸收使根質(zhì)外體酸化，從而增加了質(zhì)子化生長素向覆蓋在側(cè)根原基上的皮層和表皮細胞的pH依賴性輸入，從而促進了它們側(cè)根的形成。因此，銨誘導(dǎo)和H+-ATPase介導(dǎo)的質(zhì)外體酸化允許生長素繞過生長素輸入載體AUX1和LAX3。在缺氮植物中，生長素也會在根的維管系統(tǒng)中積累，但更堿性的質(zhì)外體會導(dǎo)致生長素在這些組織中的滯留，并阻止側(cè)根的形成。

該研究揭示了外源氮素形態(tài)對依賴于pH的徑向生長素遷移率的影響及其在器官發(fā)育中的調(diào)節(jié)功能。依賴于pH的生長素擴散的調(diào)節(jié)機制，從而使根系構(gòu)型能夠隨著土壤中有效養(yǎng)分的時空異質(zhì)性來進行調(diào)整。

同期，比利時根特大學(xué)Tom beeckman教授在評述文章中認為：氮素主要由植物以硝酸鹽和銨態(tài)氮的形式從土壤中獲得，控制著生長發(fā)育，高產(chǎn)作物生產(chǎn)嚴重依賴于氮肥的施用。根系對氮素形態(tài)和濃度變化的適應(yīng)機制已被深入研究，但這些氮素形態(tài)如何影響生長素控制的內(nèi)源根系分枝過程的確切機制還不是很清楚。Nicolaus von Wirén教授團隊的研究是朝著更好地了解植物對硝酸鹽和銨的不同反應(yīng)的機制邁出的重要一步，并將有助于制定提高氮素利用效率的策略，從而減少化肥使用量。