科学家发现使植物高产的关键基因

     根据“Innovations-report网”10月7日报道，目前由美国康涅狄格大学植物学家罗伯特•加西拉领导的研究团队发现了曾一度被忽视的植物生长的关键基因，这种基因可以使植物更加高产、抗旱并且能够抗土壤瘠薄。该工作在细胞水平首次成功地验证了三十年来的假说，该假说解释了植物体内初级代谢和生长的激素转运，并且有望改写植物学教科书。

    康涅狄格大学、普渡大学、以及宾夕法尼亚大学的研究人员发现植物细胞体内的一种质子泵，在植物生根和发芽中发挥了重要作用，这种作用是通过控制细胞的分化、生长和激素转运来实现的。而最初却认为这种质子泵的功能及其有限。过量表达编码这种特殊质子泵的单基因可以显著增强植物初级代谢的激素转运，从而使得植物根系生长更为粗壮发达，枝叶增长可多达60％。该项研究结果发表在《自然》10月第7期上。

    康涅狄格大学植物学系助理教授加西拉说：“该发现将导致世界范围内的农业革命，这一基因的过量表达可以调节植物最重要部分——根的发育，有着粗壮根系的植物能够从更大面积的土壤中吸收水分和营养，因此生长的更为健壮，更加高产。”

    “传统的植物教科书告诉大家，植物细胞体内有三种质子泵，其中之一作用较小。我们的研究显示这种说法是不正确的”加西拉说，“因为目前已经证实——这种质子泵在发挥植物主要供能作用的主泵和质膜间穿梭。因此通过植物的质膜和根茎系统能够使主泵传递更多的生长激素，从而促进细胞分化生长。”

    所有植物含有三类质子泵－主泵和其它两种泵。主泵是P类质子ATP酶，用来运输养分进出细胞。植物学家证实只有P类质子ATP酶能够泵出质子，产生梯度，从而驱动小分子进出细胞。目前认为，加西拉小组过量表达的AVP1质子酶仅仅控制了植物细胞内大的存贮区或液泡内的PH水平，并作为V－ATP酶大液泡泵的支持泵。科学家认为大的液泡泵是唯一帮助在植物细胞质膜和主泵间穿梭的泵。

    通过与麻省理工大学以及哈佛大学的科学家们合作，加西拉已经在拟南芥中过量表达AVP1基因。如加西拉预测这些植物耐盐碱和干旱，在它们的液泡中排列了更多的盐离子，植物也令人吃惊的表现出更大的根茎系统。

    宾夕法尼亚州立大学细胞生物专家西蒙•吉瑞提出了另外一个难题，他发现离子浓度即PH值在细胞内保持不变，但是在细胞外PH值却较低，这就意味着在细胞外有更强的酸性和离子浓度。

    以下的证据来自普渡大学细胞生物学家安格斯•默非和他的同事。

    莫非说：“在罗伯特过量表达AVP1基因的品系当中，细胞内外的酸度和质子梯度增加，因此我们便可以去验证三十年来一直用来解释植物激素转运的模型，该模型解释了质子梯度的增加将会导致植物激素转运速度的增加。该理论从来没有在植物中运用基因分子生物学手段进行验证。当我们发现植物体内转运速率增加但是整个激素含量并不改变的时候，激素转运模型就被证实了。”

    通过比较转基因植物、原始拟南芥植物及敲除AVP1基因的突变型植物，他们发现了AVP1的主要作用。他们发现AVP1突变体不能发育为有功能的根系统，这些植物的茎普遍矮小。

    加西拉说早期实验就是在其它作物当中重复拟南芥的实验结果。其它作物包括西红柿、水稻、棉花、白杨。该小组的这项发现可以带来世界粮食产量的增加和全球林木的再造。他预测在未来五年该项研究成果将广泛应用于农作物基因工程的研究领域。研究小组的发现使得在干旱地区种植根系弱小的植物成为可能，这将对缺乏灌溉系统和购买化学肥料资金的发展中国家产生深远影响，其中也包括加西拉的祖国墨西哥在内。

    该项研究正在申请美国专利，并已经和一个国际公司签订了专利转让合同。