关键营养素帮助植物抵御高温

关键营养素帮助植物抵御高温

2024年6月4日，拉荷亚——全球气温正在上升，专家预计到2050年气温将上升2.7°F。由于植物无法调节自己的温度，因此它们对这些温度变化特别敏感。在较高的温度下，植物会指示其根系生长得更快，形成长根，延伸到土壤中以吸收更多的水分和养分。虽然这种反应可能在短期内对植物有帮助，但新的研究表明，从长远来看，这对植物来说是不可持续的，而且对人类可能有害。

索尔克研究所的研究人员发现，当某些植物因根部快速生长而应对高温时，它们会降低两种重要营养素（氮和磷）的水平，这使得它们在食用时营养价值降低。同时，如果土壤中这些养分含量较低，植物的根系生长速度就会变慢，并且无法对较高的温度做出充分的反应。

左起：沃尔夫冈·布希和李相华。

高温下根系生长与养分利用率之间相互作用的新分子细节将为 Salk Ideal Plants® 的工程设计提供信息——Salk Ideal Plants® 是由碳捕获、抵御气候变化的小麦、水稻、玉米和其他作物组成的集合通过索尔克的利用植物倡议.

研究结果发表在《自然通讯》2024年6月1日。

索尔克教授说：“全球变暖将导致地球温度显着升高，植物不可避免地会做出反应。”沃尔夫冈·布施，该研究的资深作者、利用植物倡议的执行董事和赫斯植物科学主席。 “较高的温度会消耗植物中的这些重要营养物质，这一事实是人类和动物饮食未来的真正担忧，当然也是我们在努力设计更具弹性的作物时想要考虑的问题。”

植物生长和发育的变化基于环境温度，这一过程被称为热形态发生。为了更深入地了解这个过程，索尔克研究人员研究了拟南芥（Arabidopsis thaliana）芥菜科的一种小型开花植物。在早期的实验中，他们注意到植物的地上部分（称为芽）在暴露于高温时会长得更长。这使得索尔克团队想知道这些温度如何影响植物的根部，以及水稻或大豆等农作物是否会做出类似的反应。

为了回答这些问题，研究人员调高温度并观察拟南芥、水稻和大豆植物根部的生长。就像拟南芥高温下地上部生长加快，其根部以及水稻和大豆的根部也加速生长其生长。但有一个警告：快速生长依赖于土壤中丰富的氮和磷。

该研究的第一作者、Busch 实验室的博士后研究员 Sanghwa Lee 表示：“氮和磷对于植物生长、发育和繁殖至关重要，因此大多数肥料中都含有氮和磷。”热形态发生，我们现在可以致力于设计植物并优化肥料，以确保在未来更高的温度下生长不会受到氮和磷缺乏的限制。”

并排比较拟南芥（Arabidopsis thaliana）（左）、大豆（中）和水稻（右）在较低温度（每对左图）和较高温度（每对右图）下生长。

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In拟南芥，更快的根生长与氮磷水平之间的关系取决于两种蛋白质：HY5 和 NRT1.1。 HY5 是一种转录因子，是一种调节特定基因何时“打开”或“关闭”的蛋白质。 HY5 监督 NRT1.1 的遗传指令，NRTXNUMX 是一种感知氮并参与调节磷水平和协调植物根生长的蛋白质。

在高温下，HY5 和 NRT1.1 共同进行热形态发生。但随着氮和磷水平的下降，HY5开始抑制NRT1.1的表达，根系生长减慢。

水稻和大豆都具有相似的蛋白质，与 HY5 和 NRT1.1 具有共同的遗传祖先。 Busch 表示，HY5 和 NRT1.1 的水稻和大豆版本需要更多研究，但可能会影响根部生长和养分吸收，类似于拟南芥' HY5 和 NRT1.1。

“现在很明显，氮和磷是在高温胁迫下控制根系生长的关键，”布施说。 “当我们努力克服全球变暖对为不断增长的全球人口大规模生产营养食品带来的挑战时，考虑这一点至关重要。”

未来，研究人员将更深入地研究水稻、大豆和其他作物，以确定它们的 HY5 和 NRT1.1 蛋白质相似物的反应是否相似。他们还将寻找针对这些蛋白质的方法，并开发即使在氮和磷不足的情况下也能继续根部生长的作物。

其他作者包括索尔克大学的 Julia Showalter 和 Ling Zhang，以及密歇根州立大学的 Gaëlle Cassin-Ross 和 Hatem Rouached。

这项工作得到了索尔克利用植物倡议和密歇根州立大学的支持。

作者：10.1038/s41467-024-49180-6