“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。”對西北農(nóng)林科技大學(xué)生命學(xué)院教授劉坤祥來說，苦苦尋找了20年的“他”——植物硝酸鹽受體NLP7，經(jīng)過該團隊4年來夜以繼日的實驗，終于得到了證實，并確定NLP7蛋白是新的植物硝酸鹽信號“開關(guān)”。
該研究結(jié)果的重大意義在于闡明了光合自養(yǎng)植物通過感受硝態(tài)氮進而激活植物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)和生長反應(yīng)的調(diào)節(jié)機制。相關(guān)研究結(jié)果9月23日在線發(fā)表于《科學(xué)》。
論文審稿專家認為，這一發(fā)現(xiàn)將為提高作物的氮利用效率、減少化肥使用和能源消耗、減輕由溫室氣體排放引起的氣候變化，進而支持農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的啟迪。
眾里尋“他”20年
“我曾大膽設(shè)想，植物內(nèi)是否存在一個類似荷爾蒙的感受蛋白，可以感受到硝態(tài)氮的存在，從而進行下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。”找到這個硝酸鹽感受器一直是劉坤祥的夢想。
本碩就讀于臺灣大學(xué)的劉坤祥，2003年博士畢業(yè)后，隨即前往美國哈佛醫(yī)學(xué)院麻省總醫(yī)院做博士后。在此前硝態(tài)氮吸收轉(zhuǎn)運研究的基礎(chǔ)上，他開始鉆研植物感受硝態(tài)氮機制——植物是如何感受硝態(tài)氮的?有哪些蛋白分子參與植物感受硝態(tài)氮的存在，進而誘導(dǎo)下游基因表達和影響植物生長?
氮元素是構(gòu)成生物體最基本的元素之一，沒有氮，生物體就無法生存。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，硝態(tài)氮則是增加農(nóng)作物產(chǎn)量的重要因素。
20世紀(jì)90年代，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)植物存在感受硝態(tài)氮的能力，并且在基因表達水平上檢測到硝態(tài)氮不僅是一種營養(yǎng)元素，也可以作為一種信號分子。
2009年，劉坤祥曾經(jīng)的實驗室發(fā)表文章認為，CHL1/NRT1.1蛋白除了膜轉(zhuǎn)運蛋白的功能之外，還存在感受硝態(tài)氮的功能，從而影響后面一些基因的表達。
10多年來，很多研究者都認為CHL1/NRT1.1是硝酸鹽的感受器。但劉坤祥一直懷疑，除了CHL1/NRT1.1外，植物應(yīng)該還存在其他硝態(tài)氮感受器。
2017年，劉坤祥發(fā)現(xiàn)一類鈣離子依賴的激酶CPK可以感受到外界硝態(tài)氮的刺激，影響鈣離子濃度變化，進而影響CPK的活性。與此同時，CPK可以通過直接磷酸化NLP調(diào)控硝態(tài)氮誘導(dǎo)的下游基因表達。
劉坤祥還在前期實驗中發(fā)現(xiàn)，在沒有硝態(tài)氮的情況下，大量表達NLP7或CPK并不會誘導(dǎo)下游基因的表達。因此，他極度懷疑NLP7可以直接感受硝態(tài)氮的存在。
“NLP7蛋白感受硝態(tài)氮存在兩個可能，首先是NLP7蛋白直接結(jié)合硝態(tài)氮，其次是有一個所謂的硝酸鹽受體可以感受到硝態(tài)氮，然后結(jié)構(gòu)發(fā)生改變或有某個蛋白和它結(jié)合，再去調(diào)節(jié)NLP7的活性。”劉坤祥解釋說。
經(jīng)過不懈努力，他的懷疑最終證明是正確的。從設(shè)想到懷疑到發(fā)現(xiàn)到證明，這一夢想的實現(xiàn)用了20年時間。
“緣”來是“他”驀然間
如何證明NLP7可以直接結(jié)合硝酸鹽?這個問題一直縈繞在劉坤祥的腦海。
一次偶然的機會，他認識了美國實驗室的一位同事。恰巧那位同事正在用微量熱泳動儀(MST)做研究，因此，劉坤祥就托他幫忙用MST去檢測硝酸鹽是否會結(jié)合NLP7。
由于缺乏經(jīng)驗，第一次實驗他們沒有發(fā)現(xiàn)兩者的互作。幸運的是，旁邊一位專門做癌癥藥物篩選的專家聽到了他們的對話，發(fā)現(xiàn)了實驗中的不足，還提供了一些技術(shù)上的改進方案，并用儀器證實硝酸鹽會和NLP7結(jié)合。
“我非常興奮，因為這證明了我的設(shè)想。正是有這樣的發(fā)現(xiàn)，我在西北農(nóng)林科技大學(xué)的故事拉開了序幕。”劉坤祥2018年由副校長馬建華和時任生命學(xué)院院長郁飛引進，并獲得了大力支持。
來到學(xué)校后，劉坤祥迅速組建了植物氮素營養(yǎng)團隊，全身心投入到NLP7是一種新硝酸鹽受體的研究中。劉坤祥回憶說，實驗室初創(chuàng)時，需要一臺能夠測量很小株型植物中硝酸鹽含量的機器。在生命學(xué)院黨委書記劉衛(wèi)軍的推進下，他們從食品學(xué)院農(nóng)業(yè)部食品測試中心找到一臺離子色譜儀。“在本研究中，由這臺機器測定出的結(jié)果也用到了文章中，盡管圖片不大，但它也是一個非常重要的研究結(jié)果。”
為了增加這項研究的可信度，不少在植物營養(yǎng)研究中不常用到的新技術(shù)也得以被應(yīng)用，比如，在動物細胞測試蛋白結(jié)合硝酸鹽激活基因表達的實驗、表面等離子體共振等實驗。這些實驗因為在植物營養(yǎng)研究中應(yīng)用得很少，所以要做大量的設(shè)計和測試。但他們最終完成了巨大的工作量，取得了成功。
“這不是一個人的成功，而是一個團隊的成功。”劉坤祥非常贊賞他的團隊，“他們專注科研，專心實驗，取得了‘1+1>2’的效果，這是我的幸運。”
團隊4年多的努力，證實了劉坤祥的設(shè)想，實現(xiàn)了他20年的夢想——找到了硝酸鹽的感受器。同時，這個NLP蛋白是一個很特殊的例子，直接就是一個感受器，它可以感受到無機營養(yǎng)鹽的存在，可以結(jié)合硝酸鹽，調(diào)控它的活性，這是一個全新的發(fā)現(xiàn)。
劉坤祥計劃盡快將在模式植物中發(fā)現(xiàn)的植物氮素營養(yǎng)規(guī)律應(yīng)用于農(nóng)作物或園藝植物育種，為培育高肥料利用效率新品種服務(wù)，以減少氮肥消耗，助力國家綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展和低碳經(jīng)濟發(fā)展。(陳彬)
