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如何提高植物的生物量-生物学家揭示了营养有效性和生长之间的分子联系

如何提高植物的生物量-生物学家揭示了营养有效性和生长之间的分子联系

植物学家早就知道,作物的产量与氮肥的用量成正比,但是增加化肥的使用是昂贵的,而且对环境有害。到目前为止,人们还不知道植物根据氮肥剂量调整生长的潜在机制——这是一个有助于促进植物生长和限制化肥使用的关键发现。

在一项新的研究发表在《美国国家科学院学报》(PNAS),植物基因组科学家在纽约大学的基因组学与系统生物学中心发现分子之间的联系中缺失的一个环节植物氮剂量的看法在其环境和改变生物细胞和细胞龛之间的剂量反应关系。

纽约大学的研究人员采用了一种新颖的方法,研究了增加氮肥的剂量是如何随着时间的变化而导致植物全基因组表达的变化的。然后,他们使用数学模型来研究在这个实验装置中基因组中成千上万个基因的信使RNA (mRNA)的变化率。

研究人员发现,mRNA对氮剂量的反应动力学是由酶动力学的简单原理控制的,即酶催化的反应速率,1913年首次由米凯利斯-门腾(Michaelis-Menten)描述。事实上,作者发现Michaelis-Menten kinetics可以精确地模拟30%的氮剂量反应基因的基因表达的变化率。

根据经典的Michaelis-Menten动力学模型,改变酶的丰度会影响最大反应速率。由于转录因子确定了基因从DNA转录成RNA的速率,因此可以直接与米凯利斯-门腾模型中的催化酶进行比较。这意味着增加了大量的关键转录因子应该能够提高氮气的率相关的基因表达,因此,植物生长的速度,”格洛丽亚Coruzzi说,卡罗尔和弥尔顿皮特里在纽约大学生物学系教授和基因组学和系统生物学中心和文章的资深作者。

研究小组发现,转录因子TGA1水平的增加,加速了氮剂量响应基因的表达速度和植物的生长速度。过表达TGA1的植株在氮素作用下生长速度加快,其生物量是野生型植株的三倍。

Coruzzi说:“利用经典的Michaelis-Menten动力学原理,通过建立氮剂量感应的转录组动力学模型,我们发现了一个调控基因,它的增加表达可能促进低氮土壤中的作物生长。”“因为TGA1保存在植物中,包括水稻、番茄和小麦等作物,我们的发现对提高作物的氮素利用效率有意义,这对农业和可持续性都有好处。”

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