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藉最新的植物分子生物研究成果可望解決肥料施用所衍伸的環境污染問題

2019/09/12 @國際

摘要

美國博伊斯湯普森研究所與美國康乃爾大學研究團隊以植物體調控菌根菌生長的機制作為研究契機,發現植物體會產生CLE胜肽,並找出影響叢枝菌根菌共生的2項關鍵基因;經研究解開植物與真菌共生關係,將有助於未來減少肥料的施用與降低環境污染。

藉最新的植物分子生物研究成果可望解決肥料施用所衍伸的環境污染問題

  雖然肥料內含有氮、磷等可促進作物生產的成分,然而不當施肥將會造成農地及周邊環境污染的問題。農地中無法吸收的肥料將隨著地下水影響周邊水域,肥料成分之一的磷一旦滲入周邊水域,將促進水中藻類生長形成優養化現象,此過程將消耗水中溶氧,使需氧的水生生物因缺氧而大量死亡,造成環境、生態等問題。為解決肥料造成環境污染的問題,除盡可能地減少含磷肥料的施用外,透過了解植物遺傳及生理機轉,提升植物體對營養物質的吸收力,將是另一種可行的做法。
  美國博伊斯湯普森研究所(Boyce Thompson Institute)與美國康乃爾大學(Cornell University)的研究團隊由分子生物學的角度著手,找到可影響植物叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza,簡稱AM)真菌相組成的關鍵基因,並發現此關鍵基因的調控可改變根部真菌菌相組成與植物-真菌間的共生模式,以此調節植物根部對於營養素的吸收力,進而減少因肥料施用造成周邊環境的負荷。
  叢枝菌根菌(arbuscular mycorrhiza fungi,簡稱AMF)又稱為內生菌根菌,屬於共生在植物根系的共生真菌之一。叢枝菌根菌可以自身吸收的氮、磷等元素,與植物體換得菌體生長所需的脂肪酸,彼此間以此模式共生。然而,由於植物提供脂肪酸的過程需付出相對較高的代價,因此找出能提高植物體獲取來自叢枝菌根菌的氮、磷等物質的方法或提高植物-共生真菌間的物質交換效率的做法,將有助於減少額外氮源、磷源的施用。
  研究團隊為此首先研究植物體調控菌根菌生長的機制,發現植物體會產生一群小分子量胜肽,稱為CLAVATA3/ESR-related (CLE) peptides,簡稱CLE胜肽。小分子的CLE胜肽存在於整個植物界(plant kingdom),在植物生長與對抗逆境時扮演一定的功能。研究團隊在負責生合成CLE胜肽的基因中找到兩個能影響叢枝菌根菌共生的關鍵基因,分別為CLE53CLE33CLE53可在植物根系有共生根菌存在時增加表現,以減少菌根菌拓殖(colonization)率;而CLE33可在磷源足夠的情況下增加表現,以減少菌根菌拓殖率。
  研究團隊同時也發現上述CLE胜肽需透過特殊的類受體激酶(receptor-like kinase)──SUNN,方能發揮完整胜肽功能。研究也發現CLE是透過調控某種稱作獨角金萌發內酯(strigolactone)的賀爾蒙物質在植物根部的含量,以減少植物根部共生真菌的拓殖率。藉由CLE-SUNN-strigolactone所構成的回饋調控機制,將能改變植物體-叢枝菌根菌的共生關係,進而改善植物體對氮、磷等元素的攝取效率,減少肥料的施用。
  研究團隊藉由釐清CLE-SUNN-strigolactione三者在植物-真菌共生關係中所扮演的調控、回饋關係,將有助於未來減少肥料的施用與降低環境污染。
  該研究由美國國家科學基金會(US National Science Foundation)、美國能源部(US Department of Energy)、瑞士國家科學基金會(Swiss National Science Foundation)、德國科學基金會(German Research Foundation)等單位資助,相關研究成果與詳細遺傳調控回饋機制已發表在<Nature Plants>。

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