Baljväxter är en mycket konsumerad familj av växter som fungerar som en betydande källa till kostprotein, fiber, och andra viktiga näringsämnen. De får kväve genom en specialiserad process som kallas nodulation, ett symbiotiskt partnerskap där markbakterier infekterar roten på en växt, bilda lökliknande knölar, och omvandla kväve till en växtvänlig form. Att förstå hur nodulering regleras kan underlätta miljöansträngningar för att förbättra baljväxternas effektivitet och minska behovet av kemiskt gödningsmedel.

I en studie publicerad i Naturkommunikation , forskare vid University of Tsukuba har nu identifierat en viktig genetisk väg i baljväxten Lotus japonicus som styr nodulering som svar på kvävehalter i jorden.

Kväve är ett viktigt element för alla levande organismer, som det används för att göra livets organiska byggstenar:DNA, RNA, och protein. För baljväxter, att få (eller "fixa") kväve via knölar kostar en kostnad, eftersom växten behöver spendera energi och resurser för att upprätthålla bakterierna. På grund av denna avvägning, baljväxter måste upprätthålla en finjusterad nodulationsbalans.

"Rotknölar bildas som svar på låga jordhalter av fasta kvävemolekyler som nitrat, "förklarar huvudförfattaren Hanna Nishida." När koncentrationen av jordnitrat ökar, baljväxter kan reagera genom att hämma rotknölning. Mekanismen för detta svar var okänd, fastän, så vårt mål var att identifiera hur nitratberoende reglering sker i dessa växter. "

Forskargruppen utförde en genetisk skärm, kemiskt muterande L. japonicus -gener och söker efter mutationer som gjorde att knölar inte reagerade på nitrat. De hittade en gen, som de kallade nitrat som inte reagerar symbios 1 (NRSYM1), att när den muteras får baljväxten att fortsätta bilda nya knölar även när nitrat är i jorden. Dessutom, de fann att samma mutation stör nodulregleringen vid flera andra viktiga kontrollpunkter-i NRSYM1-bristfälliga växter, nitrat kan inte längre förhindra tillväxt av befintliga knölar, stoppa knölar från att fixera kväve, eller förhindra bakterier från att infektera rötterna i första hand.

Efter att ha bekräftat NRSYM1:s väsentliga roll, laget bestämde sig för att ta reda på hur det utför sina många effekter på nodulering. De bestämde att NRSYM1 kodar för en transkriptionsfaktor - ett protein som, i närvaro av nitrat, aktiverar direkt en annan gen som hindrar nya knölar från att bildas. Även om sambandet mellan NRSYM1 och de andra kontrollpunkterna fortfarande är oklart, forskarna tror att deras studie lägger grunden för framtida upptäckter.

"Kontrollen av rotnodulering är en komplex process som sannolikt innefattar flera signalvägar, "motsvarande författare Takuya Suzaki noterar." Vårt konstaterande att NRSYM1 är en nitratkänslig regulator för genuttryck är viktigt, eftersom det öppnar dörren till att hitta andra genetiska mål som regleras av denna faktor. Vi ser detta som ett viktigt steg framåt för att förstå hur baljväxter reagerar på markkväve, och vi är hoppfulla att detta kommer att hjälpa till att informera uppfödningsprogram och gentekniska insatser som syftar till att förbättra grödans effektivitet. "