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植物科学家们早就知道，作物的产量与氮肥的剂量成正比，但增加化肥的使用量成本较高，而且对环境有害。迄今为止，植物根据氮肥剂量调整生长的基本机制一直是未知的，这一关键发现可能有助于促进植物生长和限制化肥使用量。
在《ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences》（PNAS）上发表的一项新研究中，纽约大学基因组学与系统生物学中心的植物基因组科学家们发现了植物对环境中氮素剂量的感知与生物量的剂量反应性变化之间的分子联系中缺失的部分。
纽约大学的研究人员采用一种新颖的方法，研究了增加氮的剂量是如何在植物的基因组内产生变化的。然后，他们利用数学模型研究了基因组内数千个基因的信使RNA(mRNA)的变化率。
研究人员发现，mRNA对氮气剂量的动态反应受简单的酶动力学原理（即酶催化的反应速率）支配，这一原理由Michaelis-Menten在年首次提出。事实上，作者发现，Michaelis-Menten动力学可以准确地模拟30%的氮剂量反应的基因表达变化率。
根据经典的Michaelis-Menten动力学模型，改变酶的丰度将影响反应的最大速率。因为转录因子确定了基因从DNA转录到RNA的速率，所以可以直接与Michaelis-Menten模型中的催化酶进行比较。这意味着，增加关键转录因子的丰度应该能够提高氮剂量依赖性基因表达的速率，并因此提高植物生长的速率，该论文的通讯作者、纽约大学生物学系和基因组学与系统生物学中心的GloriaCoruzzi教授说。
研究小组发现，增加转录因子TGA1的水平，可以加速氮素剂量响应性基因的表达速度和植物生长速度。过量表达TGA1的植物对氮素的反应速度增加，植物的生物量达到了野生型植物的三倍。
通过使用Michaelis-Menten动力学的经典原理对氮素剂量传感的基础转录组动力学进行建模，我们发现了一个调控基因，其增加的表达可能会促进低氮土壤内的作物生长，Coruzzi说。由于TGA1在水稻、西红柿和小麦等作物中都有表达，因此我们的研究结果对提高作物的氮素利用效率有一定的影响，这对农业和可持续发展都有好处。
论文标题为《Nutrientdose-responsivetranscriptomechangesdrivenbyMichaelis–Mentenkineticsunderlieplantgrowthrates》。