“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處?！睂ξ鞅鞭r林科技大學生命學院教授劉坤祥來說，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”。
該研究結果的重大意義在于闡明了光合自養植物通過感受硝態氮進而激活植物信號轉導網絡和生長反應的調節機制。相關研究結果9月23日在線發表于《科學》。
【資料圖】
論文審稿專家認為，這一發現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，進而支持農業的可持續發展提供新的啟迪。
眾里尋“他”20年
“我曾大膽設想，植物內是否存在一個類似荷爾蒙的感受蛋白，可以感受到硝態氮的存在，從而進行下游信號轉導。”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的劉坤祥，2003年博士畢業后，隨即前往美國哈佛醫學院麻省總醫院做博士后。在此前硝態氮吸收轉運研究的基礎上，他開始鉆研植物感受硝態氮機制——植物是如何感受硝態氮的？有哪些蛋白分子參與植物感受硝態氮的存在，進而誘導下游基因表達和影響植物生長？
氮元素是構成生物體最基本的元素之一，沒有氮，生物體就無法生存。在農業生產中，硝態氮則是增加農作物產量的重要因素。
20世紀90年代，科學家就發現植物存在感受硝態氮的能力，并且在基因表達水平上檢測到硝態氮不僅是一種營養元素，也可以作為一種信號分子。
2009年，劉坤祥曾經的實驗室發表文章認為，CHL1/NRT1.1蛋白除了膜轉運蛋白的功能之外，還存在感受硝態氮的功能，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，植物應該還存在其他硝態氮感受器。
2017年，劉坤祥發現一類鈣離子依賴的激酶CPK可以感受到外界硝態氮的刺激，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調控硝態氮誘導的下游基因表達。
劉坤祥還在前期實驗中發現，在沒有硝態氮的情況下，大量表達NLP7或CPK并不會誘導下游基因的表達。因此，他極度懷疑NLP7可以直接感受硝態氮的存在。
“NLP7蛋白感受硝態氮存在兩個可能，首先是NLP7蛋白直接結合硝態氮，其次是有一個所謂的硝酸鹽受體可以感受到硝態氮，然后結構發生改變或有某個蛋白和它結合，再去調節NLP7的活性?！眲⒗は榻忉屨f。
經過不懈努力，他的懷疑最終證明是正確的。從設想到懷疑到發現到證明，這一夢想的實現用了20年時間。
“緣”來是“他”驀然間
如何證明NLP7可以直接結合硝酸鹽？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合NLP7。
由于缺乏經驗，第一次實驗他們沒有發現兩者的互作。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，發現了實驗中的不足，還提供了一些技術上的改進方案，并用儀器證實硝酸鹽會和NLP7結合。
“我非常興奮，因為這證明了我的設想。正是有這樣的發現，我在西北農林科技大學的故事拉開了序幕?！眲⒗は?018年由副校長馬建華和時任生命學院院長郁飛引進，并獲得了大力支持。
來到學校后，劉坤祥迅速組建了植物氮素營養團隊，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。在生命學院黨委書記劉衛軍的推進下，他們從食品學院農業部食品測試中心找到一臺離子色譜儀?！霸诒狙芯恐?，由這臺機器測定出的結果也用到了文章中，盡管圖片不大，但它也是一個非常重要的研究結果。”
為了增加這項研究的可信度，不少在植物營養研究中不常用到的新技術也得以被應用，比如，在動物細胞測試蛋白結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研究中應用得很少，所以要做大量的設計和測試。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?！眲⒗は榉浅Ｙ澷p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?！?/p>
團隊4年多的努力，證實了劉坤祥的設想，實現了他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鹽的存在，可以結合硝酸鹽，調控它的活性，這是一個全新的發現。
劉坤祥計劃盡快將在模式植物中發現的植物氮素營養規律應用于農作物或園藝植物育種，為培育高肥料利用效率新品種服務，以減少氮肥消耗，助力國家綠色農業發展和低碳經濟發展。（陳彬）
相關論文信息：
http://doi.org/10.1126/science.add1104
《中國科學報》 (2022-09-26 第1版 要聞)
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