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GSNOR基因是植物高铁耐受性所必需的。铁中毒导致叶片和根系生长受损。带有功能基因的拟南芥(图左三株)在高铁水平下比没有GSNOR功能基因的拟南芥(图右三株)生长得更好。
铁对植物的生长很重要，但在多雨和通风条件很差的情况下，铁含量过多的酸性土壤反而对植物有毒。在西非和热带亚洲等洪涝频繁发生的国家，有毒铁含量可能对大米等主食的供应造成可怕的后果。
过去二十年来，科学家们一直在试图找到导致铁耐受性的基因，但直到最近，美国萨克研究所的科学家们才发现了调节植物铁耐受性的一个主要基因——GSNOR。8月29日发表在《自然通讯》杂志上的这项研究，将来可能帮助科学家们提高生活在铁含量过多土壤中的作物的产量。
“这是首次鉴定出导致铁耐受性的基因及其自然变异。”论文的资深作者、索尔克植物分子和细胞生物学实验室以及综合生物学实验室成员的Wolfgang Busch说：“这项工作令人很兴奋，因为它让我们理解了植物是如何在压力重重的环境下生长的。”
对于水稻等植物，土壤中铁浓度上升会损伤脂肪和蛋白质进而直接破坏植物细胞，抑制根的生长。不过，也有一些植物能够耐受高浓度的铁，科学家们想明白其中的原理。
“我们相信这种耐受性的背后必然有其遗传机制，但一直不知道究竟是哪些基因对此负责。”论文的第一作者、Busch实验室的博士后李宝海（音译）说：“为解决这个问题，我们利用数百种不同植物的自然变异能力研究了植物对高浓度铁环境的基因适应。”
研究中，科学家首先测试了拟南芥的一些品系，以观察其对铁的抗性是否存在自然变异。在发现抗性植株后，研究人员使用一种被称为全基因组关联研究(GWAS)的方法对相关基因进行了定位。他们的分析指出，基因GSNOR是使植物和根系在高铁环境中生长的关键。
令科学家们意外的是，他们还发现这种耐受性与一氧化氮的活性有关。当植物缺乏功能性GSNOR基因的时候，高水平的一氧化氮会诱导细胞应激，损害植物根系对高浓度铁的耐受性。GSNOR可能在一氧化氮代谢中发挥着核心作用，调节植物对细胞应激和损伤的反应能力。这种一氧化氮机制和GSNOR基因也影响了其他植物的铁耐受性，如水稻(Oryza sativa)和豆科植物(Lotus japonicus)，这表明该基因及其活性可能在许多(如果不是所有)植物物种中都很关键。
Busch说：“我们发现这种基因和途径在多种植物中都是保守的，因此怀疑这可能对所有高等植物的铁抗性都很重要。此外，这种基因和途径也可能在人类中发挥作用。”
接下来，李将在中国浙江大学开设自己的实验室。他计划鉴定水稻的相关基因变异，并观察耐铁变异是否能提高中国被淹农田的作物产量。
科界原创
编译：Max
审稿：三水
责编：张梦
期刊来源：《自然通讯》
期刊编号：2041-1723
原文链接：
https://www.salk.edu/news-release/getting-to-the-root-of-how-plants-tolerate-too-much-iron/
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