利用磷酸酶降低化學磷肥依賴之潛力
2022/09/28 @國際
摘要
陸地和海洋之初級生產因無機磷的取得而受限，進而影響全球糧食安全、生物多樣性和氣候調節。自然中的磷主要以有機形式存在，需透過磷酸酶礦質化釋出磷酸根離子，磷酸酶通常是在磷酸鹽耗盡時合成，以協助獲取磷，而PafA為一種獨特的細菌磷酸酶且廣泛分布於生物圈中，它的活性不受外在磷酸鹽的濃度而影響。目前農業使用的化學磷肥是透過開採磷礦而來，而磷礦為不可再生的資源，倘若能將PafA應用於農業中，勢必能降低人們對化學磷肥的依賴。
示意圖
地球上所有生物都需要磷來維持健康的生長和發育，但在農業上持續使用有限且不可再生的化學磷肥可能會威脅到作物產量和全球糧食生產系統的永續性。農業是不可再生磷的最大消耗者，而磷的供應是有限的，所以它對全球糧食安全、生物多樣性和氣候調節上具有重要意義。
無機磷酸鹽是肥料中，磷最簡單之化學式，然而，環境中磷酸鹽多與有機分子結合在一起，因此很難被自然界中植物和藻類所利用，此狀態的磷則需透過酶的作用才能釋放出磷酸根離子 (Pi)，以利植物和藻類將其作為營養物質使用，這種酶稱為磷酸酶 (phosphatases)。化學肥料中的磷是通過開採不可再生且日益昂貴的磷礦而得，而磷酸酶具有潛力幫助降低全球糧食生產系統對化學磷酸鹽肥料的依賴。
細菌與其它生物無異，生長與繁殖都需要磷的參與，而細菌偏好利用磷的形式為Pi，而外在環境中的Pi濃度極低，因此細菌常見克服環境低磷的方式是表現其體內與Pi逆境相關之基因，而其中包括轉譯出磷酸酶，而磷酸酶可將Pi從有機磷之化合物中切解出來，University of Sheffield's Institute for Sustainable Food 之研究人員已確認了一種在環境中常見的特定細菌之磷酸酶 (PafA)，它可以有效地從有機形式的磷酸鹽中釋出Pi，而該研究是以黃桿菌屬 (Flavobacterium) 為模型，觀察其體內PafA的功能，研究結果顯示不論環境周圍磷酸鹽的濃度為何，PafA能快速的將有機型態之磷酸鹽礦質化，然而，當周圍環境中只要含有殘存磷酸鹽，就會抑制其它常見磷酸酶的活性，如PhoX和PhoA。研究者Dr. Ian Lidbury表示多數常見的磷酸酶會因為磷酸鹽的累積而抑制酵素活性，但PafA卻不受此影響，這也是PafA獨特的地方。
PafA 在陸地和水生環境中的數量和多樣性很高，這使它們能更有效地幫助植物和動物攝取必需的營養元素，此外，PafA對於人們降低不可再生的化學磷肥依賴上有很大的助益，以上都讓PafA應用變得更具價值，研究者下步將研究黃桿菌屬之PafA功能是如何運作的，與它細菌相比，PafA於黃桿菌屬中特別活躍，而了解這一點是至關重要的，因為我們能從中設計出適用於農業的酶以促進永用續農業。【延伸閱讀】- 磷土浸漬法改善水稻磷吸收能力
資料來源
文章摘譯
