2015年6月25日 星期四

讓我們揮別阿拉伯芥,狗尾草─新的模式植物誕生啦~!!

讓我們揮別阿拉伯芥,狗尾草新的模式植物誕生啦~!!

編譯 鄭舒允編輯 朵瑞絲柚柚

科學家以禾本科植物─狗尾草(Setaria viridis)當作研究材料,了解其中的固氮機制,未來可以應用在其他禾本科作物,增加糧食作物與共生固氮菌的氮素利用效率。這篇發表在2015年三月「Plant Journal」的文章,是研究作物氮素利用效率領域的重要發現。


圖說:左圖為狗尾草、右圖為阿拉伯芥

農民在花錢購買肥料施肥的同時,美國的研究人員卻絞盡腦汁地想辦法降低作物依賴氮肥的程度!!

氮肥是讓作物長得頭好壯壯不可或缺的重要肥料,適度的添加氮肥,可以有效的增加作物產量。


豆科植物藉由與根瘤菌共生,讓固氮菌轉換空氣中的氮供植物吸收。此種天然的生物性固氮方法,成本低廉,廣泛被農民使用。然而水稻、玉米等重要的禾本科糧食作物,因無法形成根瘤與根瘤菌共生,需要額外施予氮肥,提高栽種成本。

聯合國糧食與農業組織(FAO)在2011年的統計資料顯示,全世界氮肥使用已經超過1億噸,光是在美國,生產與進口氮肥的花費甚至超過370億。若能有效降低人工氮肥的用量,對農民而言將會是一大福音。 


研究的進行方式

研究團隊篩選近30種狗尾草、3種固氮菌,試著找出在不同狗尾草與固氮菌組合中,最高氮素吸收效率的組合。

首先將發芽後的狗尾草苗,與不同的固氮菌菌株共同培養三天。接著將根部附著固氮菌的植物移植到無氮的土壤中,確保固氮菌成為植物唯一的氮素來源;隨後,給予植物無法直接利用,且有放射線標定的氮13做為供給固氮菌的材料,藉由偵測氮13在植物體內的多寡,計算狗尾草與固氮菌間共生利用的效率。 

實驗結果發現狗尾草與巴西固氮螺旋菌(Azospirillum brassilense)共生,其共生利用氮素的效率接近100%。

這是氮素利用研究在農業領域的重大突破。

研究的重要性

由於狗尾草與玉米屬於同科,因此基因調控的機制可能比較相近。 但狗尾草基因的研究比玉米更簡單。

因此研究人員的下一步,將是了解在狗尾草基因組中,哪些因子會影響植物與土壤微生物的共生作用。找到這些調控的相關基因之後,藉由基因組線性關係(genome synteny)(註1),由狗尾草回推其他重要作物中,與共生固氮菌相關的基因,提高作物吸收天然氮素的能力,降低栽培的成本與可能的環境危害,促進永續農業的發展。

何謂「模式生物」?

模式生物(model organisms)意即生物界的「模特兒」。

要成為模式生物,必須具有以下幾點特性:具有成長迅速、世代間隔短、可以快速取得大量且不同發育階段個體的物種,適合進行遺傳、基因重組等試驗。

常用的模式生物如:大腸桿菌、酵母菌、線蟲、果蠅、斑馬魚、小鼠、大鼠、阿拉伯芥、水稻、玉米、大麥等。

現階段,植物界最有名的模式生物非阿拉伯芥莫屬,早期受科學家重視的程度不如玉米、甘蔗、水稻、苜蓿、高粱、大麥等具經濟價值的作物。然而阿拉伯芥適於做為模式生物的特質終在20世紀確立,奠定了它在植物學研究中不可取代的地位。

參考資料: http://www.most.gov.tw/ctpda.aspx?xItem=14477&ctNode=76&mp=8


註1:基因組線性關係指的是同物種間的染色體片段帶有保留性,例如基因組片段與順序在不同的物種間可能會有相似的地方(如下圖所示)
 
舉例來說:水稻染色體A的某片段可能也存在玉米染色體B之中,有時不只是序列相近,甚至是基因順序也一致,而這種基因組線性關係在禾本科植物間尤其明顯。

因此一旦在A物種中找到我們想要的目標基因,即可利用此現象(基因組線性關係)在B物種基因組中可能可以找到我們要的目標基因。



資料來源:Move over Arabidopsis, there's a new model plant in town