植物学家发现决定植物根系向地性的新蛋白 | Nature Plants 论文推荐

推荐/编译 黎茵

植物生长过程中能够使根系向着重力方向定向生长称为向地性，这种由于重力作用所做出的生长反应是保证植物根系深入土壤、吸收水分和养分并且固定植物的必须过程。自从1880年 Charles Darwin 和 Francis Darwin 父子在《植物的运动能力》（The Power of Movement in Plants）一书中系统地描述了植物根尖向地性弯曲的运动过程开始，多年以来的研究认为该过程与植物生长素的极性运输有关，但确切的机制在很大程度上一直未能阐明。

最近在《自然植物》（Nature Plants）上发表的一项研究结果发现，植物根的向地性依赖于一种新发现的蛋白质，被命名为根的负向地性反应蛋白（NEGATIVE GRAVITROPIC RESPONSE OF ROOTS ，NGR）。在蒺藜苜蓿和拟南芥两种植物中的研究均表明，NGR 的缺失会逆转根的向地性的方向，从而使根系向上生长。

野生型A17（a）和mtngr-1突变体（b）生长在土壤中；野生型A17（c）和mtngr-1突变体（d）幼苗生长在垂直培养板中；野生型R108（e）和mtngr-2突变体（f）生长在土壤中；野生型R108（g）和mtngr-2突变体（h）幼苗生长在垂直培养板中

图2 拟南芥（A. thaliana）突变体

野生型Col-0（a）和atngr1,2,3三突变体（b）；三突变体植物根的向地性可由拟南芥本身的AtNGR2 (c) 或AtNGR1 (d)启动子驱动的AtNGR2–GFP完全回补

研究者在筛选豆科植物蒺藜苜蓿的一批快中子轰击缺失突变体的过程中，首先分离得到一个根系向上生长的突变体（mtngr-1），其根系能够像苗一样在生长过程中突出土壤的表面（图1a，b）。分析表明 MtNGR 基因编码一个含有 262 个氨基酸的蛋白，在大豆、水稻、百脉根和拟南芥中均有内含子-外显子结构相似的同源基因序列，并且 NGR 基因可能仅存在于被子植物中。

根据对蒺藜苜蓿 NGR 基因的分析，在十字花科模式植物拟南芥中也鉴定到三个功能冗余的 NGR 同源蛋白，表型分析发现拟南芥中只有三突变体具有与蒺藜苜蓿突变体相同的根负向地性反应的表型（图2a，b），说明 NGR 蛋白是非常保守的根向地性反应的关键调控因子。该研究为阐明植物根系适应重力环境的调控机制提出了新的分子生物学依据。

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论文相关信息

题目 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

发表日期 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.

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