下一代生物传感器揭示赤霉素在豆类固氮中的关键作用

剑桥大学的研究人员已经证明，植物激素赤霉素（GA）对豆科植物固氮根瘤的形成和成熟至关重要，也可以增加根瘤大小。他们确定了GA控制结节起始、生长和功能的具体时间和位置。这些发现有助于调和相互矛盾的报告，这些报告表明GA既抑制了结节形成，又是结节形成所必需的，因为GA是必不可少的

小麦、玉米和水稻等谷物作物是氮需求量大的作物，严重依赖合成肥料来满足其氮需求。然而，合成氮肥的生产需要大量的能源，对农民来说成本高昂，并造成水污染等负面环境影响

与谷物不同，豆类，如豌豆、豆类和豆类，可以通过与固氮细菌的自然共生关系获得自己的氮，形成称为根瘤的侧根衍生器官。这种固氮能力也导致豆类作物的蛋白质含量更高，使其对人类食用更有营养

然而，当土壤中的氮浓度相对较高时，豆类作物会停止产生根瘤，从而可能错过更高的产量

世界各地的科学家正在研究如何提高豆类产量并将固氮能力从豆类转移到谷物，但这涉及到解开和理解根瘤形成和固氮所涉及的复杂遗传和生化途径

在《植物细胞》发表的研究中，剑桥大学塞恩斯伯里实验室（SLCU）的Alexander Jones博士的研究小组和作物科学中心的Giles Oldroyd教授的小组通过揭示控制固氮根瘤发育、形态和功能的GA动态，朝着这一目标迈出了重要一步

Jones博士说：“关于GA在根瘤共生中的作用，有一些令人困惑和相互矛盾的报道。实验表明，添加GA可以减少结瘤，去除GA可以增加截穗苜蓿等豆科植物的结瘤，这表明GA对结瘤具有拮抗作用。但豌豆中也有一种豆科突变体，其产生的GA较少，结瘤也较少，这表明在某种程度上需要GA来结瘤。”

使用Jones Group开发的高灵敏度下一代生物传感器nlsGIBBERELLIN感知传感器2（GPS2），Colleen Drapek博士能够准确地可视化GA存在的位置和时间以及相对浓度。她发现，在感染根瘤菌的Medicago中，GA在根瘤原基（根皮层中细胞在根瘤形成早期开始分裂的区域）中积累。Drapek博士说：“在根瘤形成的一开始，你就开始看到GA在根瘤原始基中的积累，但根中其他任何地方的GA都很少。随着根瘤的进一步发育，你会看到GA以相当高的浓度积累，并在成熟根瘤中保持高水平。”结果前者无结节形成，后者结节较大。她补充道：“这表明GA对根瘤非常重要，但它的功能是特定于根瘤开始生长的区域，而不是周围区域。我们知道低GA有利于根部的根瘤菌初始感染，但后来你需要GA的存在才能进行结瘤过程并使根瘤成熟。”

Katharina Schiessl博士在SLCU的Oldroyd小组进行的早期研究表明，植物用于形成侧根和固氮根瘤的发育程序存在重叠

Oldroyd教授说：“这些最新发现表明，根中GA的积累是根瘤发育所特有的，因此可能是根瘤特异性发育的关键转变。这些对于我们试图将固氮转移到木薯和谷物等其他作物来说是至关重要的。”