如何提高植物生物量：遗传生物学家发现与增长的分子联系

时间：2022-04-18 18:25:11 来源：

纽约大学基因组和系统生物学中心的Coruzzi实验室中生长着拟南芥。

这些发现对提高植物氮的利用效率，减少对肥料的依赖具有重要意义。

植物科学家早就知道作物产量与氮肥的剂量成正比，但是增加肥料的使用是昂贵的，并且对环境有害。到目前为止，尚不知道植物根据氮素剂量调节生长的潜在机制，这是一个关键发现，可以帮助促进植物生长并限制肥料的使用。

在《美国国家科学院院刊》（PNAS）发表的一项新研究中，纽约大学基因组与系统生物学中心的植物基因组科学家发现了植物对环境中氮剂量的感知与生物量的剂量响应变化。

纽约大学的研究人员采用一种新颖的方法，研究了氮的剂量增加如何导致植物全基因组表达随时间变化的变化。然后，他们使用数学模型调查了该实验组中基因组中成千上万个基因的信使RNA（mRNA）的变化速率。

研究人员发现，mRNA对氮剂量的反应动力学受简单的酶动力学原理（即酶催化的反应速率）支配，Michaelis-Menten于1913年首次描述了该原理。实际上，作者发现Michaelis-Menten动力学可以准确地模拟30％的氮剂量反应性基因中基因表达的变化率。

根据经典的Michaelis-Menten动力学模型，改变酶的丰度将影响最大的反应速率。由于转录因子确定了基因从DNA转录为RNA的速率，因此可以将它们直接与Michaelis-Menten模型中的催化酶进行比较。这意味着增加关键转录因子的丰度应该能够提高氮剂量依赖性基因的表达速度，从而提高植物的生长速度。纽约大学纽约分校Carroll＆Milton Petrie教授Gloria Coruzzi说道。生物学和基因组与系统生物学中心，以及该论文的资深作者。

研究小组发现，增加转录因子TGA1的水平可以加快氮剂量反应性基因表达的速度和植物的生长速度。过度表达TGA1的植物对氮的响应增加了生长速度，其植物生物量是野生型植物的三倍。

Coruzzi说：“通过使用Michaelis-Menten动力学的经典原理对氮剂量传感基础的转录组动力学进行建模，我们发现了一个调控基因，其表达增加可能促进低氮土壤中作物的生长，” Coruzzi说。“由于TGA1在包括水稻，西红柿和小麦等农作物中都是保守的，因此我们的发现对提高农作物的氮利用效率具有重要意义，这可以使农业和可持续发展受益。”

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参考：Joseph Swift，Jose M. Alvarez，Viviana Araus，Rodrigo A.Gutiérrez和Gloria M. Coruzzi撰写的“ Michaelis-Menten动力学驱动的营养剂量响应转录组变化是植物生长的基础”，美国国家科学院院刊，2020年5月11日。 DOI：
10.1073 / pnas.1918619117

除了Coruzzi，研究作者还包括纽约大学的Joseph Swift和Viviana Araus，智利大学市长Jose Alvarez和智利天主教大学的RodrigoGutiérrez。这项工作得到了Zegar家庭基金会，Beachell-Borlaug国际奖学金和国家科学基金会（NSF-PGRP：IOS-1339362和NSF-DBI-0445666）。

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