為什麼植物在有氮肥時根瘤數目就會下降？

有些植物（如豆科）會與土壤中的細菌（如根瘤菌）形成根瘤（nodule）來幫助植物獲取氮，這個現象在清朝（1873）時就被王筠發現了。後來透過許多人的研究發現，這一類的植物在土壤中氮素（如硝酸根、銨離子）不足時，會分泌類黃酮素來吸引能固氮的細菌過來形成根瘤。

過去的研究就發現，植物會調節根瘤的數目。在百脈根（Lotus japonicus）裡，當根與根瘤菌建立共生關係、形成根瘤之後，根就會分泌CLE-RS1與CLE-RS2兩個多肽並送到植物的莖與葉（shoot）；在莖與葉，則有HAR1負責接收這兩個信號，然後莖與葉的細胞分泌細胞分裂素（cytokinin）來抑制更多的根瘤形成。

但是，在共生關係建立以後，如果土壤中的氮素濃度上升到足夠時，植物又會發生什麼事呢？這時候，植物的根瘤會開始衰老（變綠或變黑）。到底是什麼機制讓根瘤衰老呢？

來自澳洲的研究團隊，為了要回答這個問題，他們用LORE1反轉位子在百脈根中建立了一個突變株庫。然後，他們先讓這些植物在正常環境下長3週，再讓這些突變株在高濃度的硝酸鹽（10mM KNO₃）下生長2週，找尋在這樣的狀況下，仍然有相當比例的粉紅色根瘤的植物。

如何找出FUN突變株。圖片取自《自然》期刊

正常情況下，因為高濃度硝酸鹽會抑制根瘤的固氮功能，導致根瘤變綠、變黑，而不是粉紅色。所以，只要根瘤仍然保持粉紅色，就代表這個植物一定有什麼基因變了，使得它在不缺氮素的狀況下，還繼續養著根瘤。

結果，他們找到了一個突變株，這個突變株被他們命名為FUN（fixation under nitrate，在硝酸根下仍固氮）。分析之後發現，FUN是一個bZIP型轉錄因子，它有一個DNA結合域與一個感應域，且這個基因在根瘤中表現量很高。

由於它的DNA結合域具有白胺酸拉鍊（Leucine zipper），通常這樣的結構可能會跟金屬離子結合，所以研究團隊就用一些金屬離子來測試。結果他們發現FUN會與鋅（Zn²⁺）與錳（Mn²⁺）結合，但對鋅的親和力比較高。

進一步的測試發現，當鋅離子濃度高時，FUN會形成不具活性的纖維結構；等到鋅離子濃度降低，FUN蛋白又會恢復活性。

恢復活性的FUN蛋白的功能是什麼呢？研究團隊發現，FUN蛋白會促進根瘤衰老的相關基因（如NAC094、HO1等）開始表現，而這些基因就會促進根瘤衰老，讓植物自己的固氮作用下降。

但是研究團隊要找的是在高濃度硝酸鹽下還能養著根瘤的植物，FUN蛋白的功能好像無關啊？研究團隊發現，當土壤中硝酸鹽濃度增加時，根瘤中的鋅離子濃度會下降。鋅離子濃度下降就會讓FUN蛋白活化，然後就會啟動根瘤衰老。

所以，透過間接偵測硝酸鹽的濃度，植物可以決定要不要啟動根瘤的衰老。但是，為什麼硝酸鹽濃度上升，根瘤中的鋅離子濃度就會下降呢？這部分還需要進一步的研究，就讓我們拭目以待了！

參考文獻：

Lin, J., Bjørk, P.K., Kolte, M.V. et al. Zinc mediates control of nitrogen fixation via transcription factor filamentation. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07607-6