從基因體研究來提升植物對氮(nitrogen)利用的效率

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撰文/葉綠舒

氮(N2,nitrogen)是植物非常重要的必需元素,不論是蛋白質、核酸、碳水化合物的合成都少不了它;它是植物體內含量第四高的元素,但不像碳、氫、氧可以從水與二氧化碳中取得,植物必須從土壤中以吸收硝酸根(NO3-)或銨(NH4+)的方式來取得它。從哈伯法發明以後,農業上常以施用硝酸根的方式來施肥,但硝酸根帶負電,與土壤顆粒(帶負電的矽酸鋁)互斥,很容易隨著雨水與灌溉水流到附近的水體中,造成氮污染,從而產生藻華,造成死亡海域的出現。因此,合理的施肥已經成為重要的課題,但如何提升農作物對氮利用的效率(NUE,nitrogen-use efficiency)也是需要注意的。

為了提升農作物的氮利用效率,中國的研究團隊收集了來自美國農業部的110個不同品系的水稻(包含了粳稻、秈稻、香米等),先以三個指標:分檗數(TRN,tillering response to nitrogen)、每穗穀粒數、穀粒重來分析這些品系的水稻在低氮(每公畝50公斤)、中氮(每公畝150公斤)、高氮(每公畝300公斤)的狀況下,那一個指標的反應比較一致;結果發現,分檗數對氮量的改變的反應比其他兩個指標要一致,於是決定採用分檗數為指標。

利用分檗數為指標,分析不同品系之間水稻的基因標記,研究團隊找到了位於第六號染色體上的3個基因,與水稻對氮的反應相關。接著再分析發現其中一個基因,OsTCP19,在根中對氮有反應,且對硝酸根的反應強過對銨的反應。

進一步的分析發現,高TRN(即在高氮的狀況下分檗數顯著增加)的品系,在氮增加時其OsTCP19表現量減少;而低TRN的品系,在氮增加時OsTCP19表現量沒有下降那麼多。序列分析發現,OsTCP19是個轉錄因子(transcription factor),主要位於細胞核內,而組織中則表現於根與莖的基部。當研究團隊把OsTCP19給過度表現時,水稻的分檗數就減少了;而若以RNA干擾來降低OsTCP19表現時,水稻的分檗數就增加了。由此可知,OsTCP19會抑制水稻分檗。

分析高TRN與低TRN品系的OsTCP19發現,在兩類品系的該基因之序列中有五個不同之處。將這些不同之處一一帶入低TRN品系後發現,位於OsTCP19啟動子區有個29鹼基對的序列在高TRN品系中不存在,是這個不同造成這兩類品系對氮的反應不同。

在29鹼基對刪除區域的周圍,研究團隊找到了兩個LBD蛋白(lateral organ boundaries domain)結合位址,也找到了相對應的LBD蛋白。研究團隊發現,在低TRN品系中,這兩個LBD蛋白對啟動子的結合力較強,也就是說,在低TRN品系中,因為LBD蛋白結合位址周圍的序列的影響,造成這些低TRN品系中OsTCP19的表現是本來就比較低。

分析過度表現OsTCP19與野生種水稻的基因,再與氮反應表現基因進行交集,得到15個基因。其中DLT這個基因,過去已發現和蕓苔素內酯(brassinosteroid)的訊息傳遞以及促進水稻分檗有關,於是研究團隊便決定先看DLT

研究團隊發現,高度表現OsTCP19的植株,其DLT表現量大幅下降;而剔除OsTCP19的植株,其DLT表現則上升。高度表現OsTCP19的植株,其表現型類似缺少蕓苔素內酯的植株:矮小、葉片呈深綠色、短穗。深入分析發現,OsTCP19蛋白會與DLT基因的啟動子結合來抑制它的表現。

所以,高TRN品系(即OsTCP19在氮增加時表現量減少的品系)其OsTCP19基因在平常狀況下表現量比較高,在氮增加的狀況下受到明顯的抑制,便使得分檗大量增加。究竟高TRN與低TRN品系有無區域的分布呢?研究團隊接著分析了3024個水稻品系的OsTCP19,發現高TRN品系似乎分布在過去歷史上比較容易出現缺氮的區域。

不管怎麼說,高TRN品系水稻對氮肥的反應強烈,若能將這個版本的OsTCP19基因轉殖到低TRN品系的水稻中,應該可以改善水稻的氮利用效率。

 

參考文獻:Liu, Y., Wang, H., Jiang, Z. et al. Genomic basis of geographical adaptation to soil nitrogen in rice. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-020-03091-w

 

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