控制馬鈴薯塊莖形成的基因，也會限制氮吸收

控制馬鈴薯植株何時形成塊莖的基因，同時也會限制其氮吸收。使StCDF1基因靜默的轉基因植株（右圖），在低氮環境下的生長狀況，遠比對照植株（左圖）以及StCDF1基因過量表達的植株（中間及中左圖）要好，這表明StCDF1基因限制了氮吸收。

作者：Javier Barbuzano

釋出時間：2024年11月6日上午3:01

馬鈴薯是全球第三大消耗量的食物，也是美味的點心。然而，現代農場種植的馬鈴薯需要大量以硝酸鹽肥料形式存在的氮，這不僅成本高昂，還可能對環境造成危害。

一組研究人員發現，指示馬鈴薯何時開花及形成塊莖（可食用部分）的相同遺傳機制，在植物的氮管理方面也扮演著關鍵角色。11月6日發表於《新植物學家》的這項研究成果，有望培育出需肥量更少的馬鈴薯品種，為農民節省成本，並降低馬鈴薯種植對環境的影響。

馬鈴薯原產於安第斯山區，最初只在冬季形成塊莖，以此作為儲存營養的方式，它們會根據日照時間縮短的訊號行事。因此，16世紀馬鈴薯被引入歐洲時，面臨著重大挑戰。歐洲冬季日照時間短，且伴隨著嚴寒氣溫，往往在馬鈴薯長出大塊莖之前，植株就被凍死了。

最終，控制塊莖生長的StCDF1基因發生自然突變，幫助馬鈴薯植株適應環境，能在任何時間、更偏北的地區生長塊莖，它們不再需要季節性訊號。

研究StCDF1基因以瞭解其如何調節植物對晝夜週期反應的研究人員發現，它就像一個開關，能啟用某些基因，同時關閉其他基因。巴塞隆納農業基因組研究中心的植物分子生物學家Maroof Ahmed Shaikh表示，令他們驚訝的是，它還能開啟和關閉對氮吸收至關重要的基因。關鍵在於，StCDF1基因會關閉一種稱為硝酸還原酶的酶的生成，而硝酸還原酶能分解硝酸鹽分子，使其能被植物利用。

這一發現揭示，使馬鈴薯成為全球主食的基因變異，也讓這些植物變得更「渴求」肥料。

為了驗證調整該基因是否會影響氮吸收，研究人員在低氮環境（氮含量約為典型土壤的四百分之一）中種植StCDF1基因失活的馬鈴薯植株，並與正常馬鈴薯植株相比，研究其生長狀況。缺乏StCDF1基因的植株雖無法形成塊莖，但即便氮含量不足，它們仍長出更大的葉子和更長的根。Shaikh說：「它們看起來生長得還不錯。」

研究團隊解釋，安第斯山區的品種可能具有活性較低的StCDF1基因，因此在較少氮的環境下也能生長得更好。

然而，全球種植的所有商業馬鈴薯品種中，存在的都是活性更高的StCDF1基因。同樣來自巴塞隆納農業基因組研究中心的植物生物學家Salomé Prat表示，由此帶來的代價是：這種主食作物在同化氮方面表現不佳。Prat指出：「這是個問題，」因為這導致農民使用的肥料量超過植物所能吸收的量。「下雨時，這些過量的肥料會滲入地下水，造成汙染。」

這一發現為培育氮利用效率更高的馬鈴薯品種開闢了道路。研究人員計劃利用基因編輯技術，調整產生硝酸還原酶的基因，使其不受StCDF1基因的抑制。研究團隊已進行的實驗表明，這在理論上是可行的。同樣的目標也可以透過傳統育種方式達成，即將農場馬鈴薯與天然具有變異硝酸還原酶基因的野生或傳統品種進行雜交。

未參與這項新研究的馬德里植物生物技術與基因組中心的植物生物學家Stephan Pollmann表示：「氮吸收是農業中的主要障礙之一。」Pollmann稱，這項研究不僅具有科學趣味性，而且馬鈴薯作為全球種植的重要糧食作物，對糧食安全至關重要，因此這一發現有可能是個「重磅成果」。「如果你能改善硝酸鹽同化，也就是植物的營養吸收，從而長出更大的塊莖，那將極為重要。」