從基因體研究來提升植物對氮（nitrogen）利用的效率
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