理解番茄植物新陈代谢以促进可持续生产

历史上,作物被软化而不限制获取养分或水因为这些品种不需要高效养分吸收和分配机制,无法适应限制超肥料需要的可持续农业系统Laura Carrillo博士和西班牙马德里生物技术和基因中心Joaquin Medina博士调查番茄植物对氮水压力的代谢响应通过观察养分和水限特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特特

氮素是植物生长开发的关键构件自20世纪50年代起它一直由肥料厂补充估计吸入土壤的氮不到二分之二由植物吸收过量肥料导致有害温室气体排入大气层并给我们的水系统带来重大富营养化提高植物使用氮效率会减少肥料需求,从而减少农业对气候变化和生物多样性的影响

Joaquin Medina是西班牙马德里生物技术和基因中心高级主研究者,他的同事Laura Carrillo博士致力于识别关键基因和代谢路径,这些基因和路径涉及模型植物和番茄等作物中水压和氮压响应solanumlycopericum.当前对植物对氮限响应的遗传基础的理解基础基础Arabidopsisthaliana小花厂与芥子树相关) 和少数农种, 但没有像番茄这样的植物中 氮响应中的遗传成分 得到如此广泛的研究

Investigating nitrogen-stress responses
研究人员集中研究不同时间受氮约束的番茄植物不同器官新陈代谢(细胞生成总代谢组件)和转录机(细胞表达总RNA笔录)。

西红柿solanumlycopericumL.居全球最重要的园艺作物之一,并有显著营养价值过去十年中,肥料厂一直用于保持植物生长和果实过量养分通常冲淡并污染自然环境,特别是土壤通过检查缺关键养分植物代谢和转录分解输出法,氮响应的主要成分可以揭晓

研究团队使用这一方法检验基因基础并识别关键基因和代谢路径,这对提高氮使用效率十分重要,可用于新番茄生长程序NUE总特征包含氮吸收、存储、同化和分布等多维改善NUE中的某些方面应该加强,即使在限制条件下也是如此

番茄厂使用足够的氮补充物(8mmN)和减N补充物(次优)来仿取更可持续的肥料供应量(4mmN)。团队观察到耗竭组比控制厂少生物质1.7倍这可能是由于氮稀疏工厂叶片生产、叶片面积和光合产值下降植物从空气中捕获碳效率较低,减少了生物量生产所需的总碳和氮氮耗竭还影响叶中磷和钾的摄取,显示两者都与代谢过程有重要联系。

配方响应亚优氮条件
限制氮可用性影响植物碳和氮初级代谢,影响甘蔗、有机酸和氨基酸合成具体地说,番茄厂缺氮优先进程以维护sucrose、Nateapate和asqraeine(新组织生长临界值)和超量碳存储根部植物减少新拍实数增长,糖生产源受负面影响,糖储存场面积也受负面影响。糖含量增加根部,叶子下降,显示大多数同化碳快速从叶输出以维系植物生长

研究者发现,叶子糖和氨基酸减产导致水果中谷酸和GABA内含量减产氮耗竭并没有像叶子那样对果实产生很大影响,但由于糖和氨基酸含量下降,氮耗竭有可能改变味积分,这可能会对消费者体验产生极大影响。

Medina和Carrillo确认关键代谢路径和基因对提高氮使用效率十分重要

氮耗减总氨基酸含量并影响某些氨基酸比其他酸的产生,但也启动多项适应策略综合定型和代谢数据分析使用GWENA生物信息工具发现特定基因集群与叶根初级代谢复合物之间的新链路叶子中基因与光合作用、新陈代谢和氮同化增加表达式最显著的是参入氨基酸生物合成和Krebs循环的基因,这是新陈代谢的一个关键构件。增加根化表达方式涉及与碳和氮代谢和迁移相联的基因其中一些基因与有机酸变化、氨基酸变化以及与碳和氮代谢路径相联

限制氮和遗传表达式
总体说来,限制氮改变与氮和碳代谢和植物器官内部迁移相联的基因表达树叶中观察到最显著的改写显示氮耗竭对光合作用和氨基酸代谢作用最大除此以外,氮稀疏工厂还使用替代呼吸和循环电子传输过程以维护其Redox和ATP/NADPH平衡值(工厂寻找替代策略平衡电子和分子生产能源所必备值)。首次报告这些替代代谢路径被用作氮饿番茄叶应激反应

氮化传输器开发氮高效番茄厂时是另一个感兴趣的领域这些构件对氮分布和不同植物器官吸收都很重要研究队识别番茄新氮传输器表达式级别slNPF2.6并SlNPF2.11基因在氮耗竭下增加根叶SlNPF1.17SlNPF7.6并SlNPF7.3特别用树叶表示器官和氮层次间观察到的不同基因表达模式可能显示这些基因在氮迁移和回收中产生特殊功能,特别是从守序叶到不同汇器官中产生特殊功能。需要进一步研究发现这些传输器背后的确切功能和分子机制,但它们仍然是最佳氮效率生成目标

识别密钥转录调控
纹理因素调节基因表达式(纹理),并常常调节基因复杂网络和其他转录因子研究组发现新的转录调控器 可能参与控制对番茄亚优氮的反应其中包括识别高识别系数TGA4、ARF8、HAT22、NF-YA5和NLP9,它们在氮响应中起关键作用阿拉伯化.值得注意的是,仅有少数经识别的调控者分根片显示常用和专用调控网络调节番茄根和片片中的氮应激反应

新知识对新陈代谢路径、基因和调控组件都与番茄氮压力响应相关,将有助于开发新植物品种并改进NUE每一小步都帮助减少对氮肥料的依赖并构建更可持续的农业体系