【Nature Plants】揭示植物如何"觅食氮素"

种植技术 氮素技术
eplants    2021-01-27    1120

2020年9月11日,Nature Plants 在线发表了德国莱布尼茨-植物遗传学和作物植物研究所的Nicolaus von Wirén教授团队的题为Auxin-mediated root branching is determined by the form of available nitrogen 的研究论文。该研究发现由于根系局部铵的摄入,引起了质外体pH的变化,该变化引发了不依赖于载体的生长素扩散旁路,从而促进了侧根的出现。该研究揭示了依赖于pH的生长素扩散是一种重要的调节机制,从而使根系构型能够随着土壤中有效养分的时空异质性来进行调整。

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值得一提的是,杂志同期配发了比利时根特大学Tom beeckman教授的题为A pHantastic ammonium response 评述文章。认为该研究是朝着更好地了解植物对硝酸盐和铵的不同反应的机制迈出的重要一步,并将有助于制定提高氮素利用效率的策略,从而减少化肥使用量。
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植物根系结构的调整使植物能够适应土壤中有效养分的时空异质性,以便针对性的进行养分吸收。与初生根相比,侧根构成了整个根系的大部分,并对外部养分有效性表现出较高的可塑性。轻度缺氮(N)或局部供应硝酸盐、磷酸盐或铁形成明显伸长的侧根,而在局部供应铵的情况下,侧根较短,但分枝较高,这表明局部养分的有效性以一种养分特异性的方式影响侧根发育的不同过程。
尽管改变根构型对利用异质土壤或施肥后的局部区域内的营养成分很重要,但是我们却对植物如何将外部营养信号整合到根系发育程序中的机制知之甚少。

由于侧根发育的每一个过程,包括起始、形成和伸长,都受生长素的控制,因此出现了生长素如何对自然和农业土壤中局部存在的铵作出反应的问题

本文,作者发现局部供铵刺激了根部维管系统中地上部生长素的积累,并促进了侧根的出现,从而建立了高度分枝的根系。PH和生长素报告活性表明,铵离子转运蛋白介导的铵吸收使根质外体酸化,从而增加了质子化生长素向覆盖在侧根原基上的皮层和表皮细胞的pH依赖性输入,从而促进了它们侧根的形成。因此,铵诱导和H+-ATPase介导的质外体酸化允许生长素绕过生长素输入载体AUX1和LAX3。在缺氮植物中,生长素也会在根的维管系统中积累,但更碱性的质外体会导致生长素在这些组织中的滞留,并阻止侧根的形成。
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该研究揭示了外源氮素形态对依赖于pH的径向生长素迁移率的影响及其在器官发育中的调节功能。依赖于pH的生长素扩散的调节机制,从而使根系构型能够随着土壤中有效养分的时空异质性来进行调整。

同期,比利时根特大学Tom beeckman教授在评述文章中认为:氮素主要由植物以硝酸盐和铵态氮的形式从土壤中获得,控制着生长发育,高产作物生产严重依赖于氮肥的施用。根系对氮素形态和浓度变化的适应机制已被深入研究,但这些氮素形态如何影响生长素控制的内源根系分枝过程的确切机制还不是很清楚。Nicolaus von Wirén教授团队的研究是朝着更好地了解植物对硝酸盐和铵的不同反应的机制迈出的重要一步,并将有助于制定提高氮素利用效率的策略,从而减少化肥使用量。
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Ammonium is locally taken up by the outer tissue layers of the root and transported via AMT ammonium transporters from the apoplast (green) to the cytoplasm (red). This transport stimulates proton release, leading to apoplastic acidification and protonation of IAA into IAAH. IAAH diffuses into cortex and epidermis cells overlaying early stage lateral root primordia. The auxin accumulation induces the expression of genes involved in cell wall loosening. As a result, the mechanical resistance of the outer cell layers decreases, allowing the lateral root emergence. Cells or cell layers are coloured light-blue (vasculature), cyan (pericycle), light-green (lateral root primordium), green (auxin maximum in lateral root primordium), pink (endodermis), yellow (cortex), white (epidermis) or red (auxin maximum due to IAAH diffusion in cortex and epidermis).

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