植物营养研究的新动向

近日，中国科学院生态环境研究中心与植物所联合在北京举办了首届国际植物离子组学研讨会。来自美国、英国、澳大利亚、日本、南非和中国等国的50余位代表出席了会议。记者就植物离子方面的相关问题采访了会议主持人、中科院生态环境研究中心研究员朱永官。 记者：植物离子组学这个概念人们听起来还比较陌生，什么是植物离子组学呢？ 朱永官：植物离子组学是近5年来植物营养与环境生物学研究领域的新方向，也是后基因组学时代研究土壤——植物相互作用的新思路。植物离子组学主要利用现代高通量的元素分析手段(如ICP-MS)，结合生物信息学和功能基因组学等手段来研究植物吸收、积累养分和重金属污染物的机理及遗传学与分子生物学机制。植物离子组学在功能基因组学、现代植物营养学、环境修复、农产品安全与营养品质等研究领域中具有重要应用价值。 记者：这一思路的提出是在什么样的前提下？ 朱永官：谈到这个问题，就不能不从化学计量学说起。化学反应过程中，物料和电荷的平衡是最基本的化学规律，植物生长也不例外。比如，在植物的光合作用中，CO2和 H2O必须遵守6∶1的比率，否则反应就不彻底，这与植物营养中的最小养分律是相对应的。生态(生物)化学计量学是指生态相互作用及其过程中化学物质的平衡，有时也可以指能量和物质的平衡。生态化学计量学最早主要针对水生生态系统：如由于氮—磷比率而决定的藻类的爆发，食物链中养分的平衡关系等，在植物生态与营养领域的应用才刚刚开始。 记者：植物营养与这种平衡是什么关系？换句话说，用生态化学计量学是如何研究植物营养的？ 朱永官：环境决定了植物体内的化学组成，而人类活动可以改变环境条件，包括施肥和污染等，比如欧洲的氮污染(氮的相对过剩)与原始植被退化就是一个典型例子。目前，陆地生态系统中的生态化学计量学主要关注碳、氮、磷三种元素的比率关系，如以植物N∶P比为切入点研究植物(自养型生物)生态化学计量学与环境变化和生态系统稳定性的相互关系。 记者：从化学计量学是如何发展到离子组学的？ 朱永官：对于自养生物来讲，大部分无机元素以离子形式被吸收(除硅、硼等)，但无论如何，植物必须保持电中性。从电中性来思考问题可以算是化学计量学的一个扩展。保持电中性可能是影响植物离子组成与代谢的关键因子之一，并可能参与养分的稳态机制。以小麦磷高效为例，磷高效的主要机制之一是为根系释放有机阴离子，有机阴离子释放越多，植物体内出现负电性的几率增加，为了保持电中性，植物需要调整体内阳离子的含量。我们的研究发现，在低磷条件下，有些磷高效的小麦体内阳离子的总量低于磷低效的品种，这从一个方面反映电中性可能在植物营养调控中的作用。从电中性再进一步扩展，就到了离子组学。美国普渡大学David Salt教授及其同事在2003年第一次正式提出包括金属、类金属和非金属在内的离子组学。 记者：离子组学的研究，可以解决我们现实生活中的哪些问题？离子组学的研究目的是什么？ 朱永官：这样的事例有很多。比如，我们对谷物中的元素含量缺乏了解，导致谷物中微量元素缺乏，给人类健康带来负面影响；大量元素的肥料使用与微量元素缺乏的问题；有机质的酸碱度与土壤酸化问题，还有植物饲料元素组成与动物消化吸收及环境影响，都是我们可以用离子组学研究的现实问题。 离子组学和蛋白质组学、代谢组学和转录组学构成认识植物基因组如何真正影响植物表型的概念模型，离子组学的观点与我们常规的通常只研究一个或少量元素为目的的研究大相径庭。研究离子组学有助于捕捉植物相关基因或基因网络表达调控；有助于有关养分吸收的植物突变体的筛选；有助于认识植物吸收过程和体内养分之间的交互作用；并且，我们已经有数据表明，离子组学还有助于认识超积累植物的筛选及其机理的研究。离子组学已经被有些科学家称之为植物化学元素指纹。 来源: 科学时报.