植物如何在不同环境下协调不同组织器官间的信号交流，以实现相互协调的生长发育？中国科学院遗传与发育生物学研究所的傅向东研究员课题组最新研究揭示了一种名为HY5的蛋白，它能够在植物的地上部分与根系之间移动，像一名“营养搬运工”，促进根系的生长发育并增强对土壤中氮的吸收。

该研究阐明了植物地上部分与根系之间的远程协调生长发育及碳—氮平衡调控的分子机制，为未来提高农作物氮肥利用效率提供了新策略。相关成果已在线发表于《当代生物学》（Current Biology）。

揭示长距离信号传导的分子机制

碳和氮是植物的主要营养源。在长期进化过程中，植物形成了复杂而精细的调控机制，以维持整体协调与平衡，确保正常的生长发育并适应外界环境变化。植物依赖地上部分的光合作用来固定碳源，同时根系从土壤中吸收氮源，二者相互促进又相互制约。

傅向东研究员向《中国科学报》记者介绍，他们首先发现光能促进拟南芥的地上部分与根系的协同生长发育。自然生长的植物根系一般不能直接见光，其生长依赖于某种从地上部分长距离转运来的信号分子。为了找到这种信号分子，研究组通过遗传诱变筛选，获得了改变地上部分与根系协调生长的拟南芥突变体，并通过图位克隆和遗传互补实验证实，这种突变表型是由于编码HY5转录因子的基因突变所致。

科研人员通过嫁接试验发现，HY5的长距离信号传导机制是维持植物碳—氮平衡的关键。傅向东解释，植物根系的生长发育受光照影响，而根系的氮吸收又能提高地上部分光合作用的效率。HY5蛋白的长距离移动整合了碳、氮代谢信号，以维系植物在可变光照环境下的碳—氮动态平衡，从而保证植物生长发育的可塑性和环境适应性。

认识植物对可变环境的适应能力

在自然环境中，光照是一个可变的环境因子，这意味着植物地上部分光合作用固定的碳源也是动态变化的。那么，植物根系的生长和氮吸收是否也会随之变化？博士陈祥彬等分析了不同光变化对拟南芥根生长和氮吸收的影响，结果发现植物根系的生长和氮吸收受地上部分光照强度的调控。

“HY5蛋白是植物光信号传递途径的关键元件，它不仅受光调控，还受到其他环境因素和植物激素的共同调控，对深入理解植物生长发育及环境适应性分子机理具有重要意义。”陈祥彬说。

傅向东还指出，农作物密植是提高作物产量的重要途径之一。HY5远程调控植物地上部分和根系间的协同生长及碳—氮平衡，对进一步实现密植条件下的产量提升和养分合理分配具有重要指导意义。

提升农作物氮肥利用的新策略

氮是促进植物生长发育所必需的重要营养元素，是氨基酸、蛋白质、核酸、叶绿素、激素等的重要组成成分。在农业生产中，氮肥对提高农作物产量和改善农产品质量至关重要。然而，过量施用氮肥不仅增加种植成本，还会污染环境。

“一般来说，只有小部分氮肥被植物吸收，大部分氮肥被释放到大气或流失到水体中。提高农作物的氮肥利用效率已成为农业可持续发展的关键。然而，目前人类对提高农作物氮肥利用效率的分子基础认识仍然非常有限。”傅向东介绍，如果将这一发现应用到育种实践中，有望培育出氮肥高效利用的新品种，从而提高农作物的产量。

“该研究还可以进一步指导农作物如何科学施肥，对实现国家倡导的‘化肥农药减量而粮食不减产’目标具有重要意义。”傅向东说。