植物學家發現決定植物根系向地性的新蛋白

推薦/編譯 黎茵

植物生長過程中能夠使根系向著重力方向定向生長稱為向地性，這種由於重力作用所做出的生長反應是保證植物根系深入土壤、吸收水分和養分並且固定植物的必須過程。自從1880年 Charles Darwin 和 Francis Darwin 父子在《植物的運動能力》（The Power of Movement in Plants）一書中系統地描述了植物根尖向地性彎曲的運動過程開始，多年以來的研究認為該過程與植物生長素的極性運輸有關，但確切的機制在很大程度上一直未能闡明。

最近在《自然植物》（Nature Plants）上發表的一項研究結果發現，植物根的向地性依賴於一種新發現的蛋白質，被命名為根的負向地性反應蛋白（NEGATIVE GRAVITROPIC RESPONSE OF ROOTS ，NGR）。在蒺藜苜蓿和擬南芥兩種植物中的研究均表明，NGR 的缺失會逆轉根的向地性的方向，從而使根系向上生長。

野生型A17（a）和mtngr-1突變體（b）生長在土壤中；野生型A17（c）和mtngr-1突變體（d）幼苗生長在垂直培養板中；野生型R108（e）和mtngr-2突變體（f）生長在土壤中；野生型R108（g）和mtngr-2突變體（h）幼苗生長在垂直培養板中

圖2 擬南芥（A. thaliana）突變體

野生型Col-0（a）和atngr1,2,3三突變體（b）；三突變體植物根的向地性可由擬南芥本身的AtNGR2 (c) 或AtNGR1 (d)啟動子驅動的AtNGR2–GFP完全回補

研究者在篩選豆科植物蒺藜苜蓿的一批快中子轟擊缺失突變體的過程中，首先分離得到一個根系向上生長的突變體（mtngr-1），其根系能夠像苗一樣在生長過程中突出土壤的表面（圖1a，b）。分析表明 MtNGR 基因編碼一個含有 262 個氨基酸的蛋白，在大豆、水稻、百脈根和擬南芥中均有內含子-外顯子結構相似的同源基因序列，並且 NGR 基因可能僅存在於被子植物中。

根據對蒺藜苜蓿 NGR 基因的分析，在十字花科模式植物擬南芥中也鑒定到三個功能冗餘的 NGR 同源蛋白，表型分析發現擬南芥中只有三突變體具有與蒺藜苜蓿突變體相同的根負向地性反應的表型（圖2a，b），說明NGR 蛋白是非常保守的根向地性反應的關鍵調控因子。該研究為闡明植物根系適應重力環境的調控機制提出了新的分子生物學依據。

論文相關信息

題目Negative gravitropism in plant roots

作者Liangfa Ge & Rujin Chen

期刊Nature Plants 2, Article number: 16155 (2016)

doi:10.1038/nplants.2016.155

發表日期Published online: 17 October 2016

摘要Plants are capable of orienting their root growth towards gravity in a process termed gravitropism, which is necessary for roots to grow into soil, for water and nutrient acquisition and to anchor plants. Here we show that root gravitropism depends on the novel protein, NEGATIVE GRAVITROPIC RESPONSE OF ROOTS (NGR). In both Medicago truncatula and Arabidopsis thaliana, loss of NGR reverses the direction of root gravitropism, resulting in roots growing upward.