苦尋20載，西農大團隊發現NLP7

“眾里尋他千百度，驀然回首，那人卻在燈火闌珊處。”對西北農林科技大學生命學院教授劉坤祥來說，苦苦尋找了20年的“他”——植物硝酸鹽受體NLP7，在其帶領的植物氮素營養團隊四年夜以繼日的實驗中，得到了證實。

這一結果9月23日于《科學》在線發表，代表西北農林科技大學在植物營養領域方向的研究取得了重大突破。“這個發現為提高作物的氮利用效率，減少化肥使用和能源消耗，減輕由溫室氣體排放引起的氣候變化，進而支持農業的可持續發展提供了新的啟迪。”

夢想：眾里尋“他”二十年

“我大膽設想植物內是否存在一個類似荷爾蒙的感受蛋白，可以感受到硝態氮的存在，進行下游信號轉導。找到一個硝酸鹽感受器一直是我的夢想。”

劉坤祥本碩就讀于臺灣大學。2003年博士畢業后，他隨即前往美國哈佛醫學院麻省總醫院做博士后。在此前硝態氮吸收轉運研究的基礎上，他萌生研究植物感受硝態氮機制的夢想。

從此開始一直尋找植物是如何感受硝態氮，有哪些蛋白分子可以參與植物感受硝態氮的存在，進而誘導下游基因表達和影響植物生長。“研究植物如何有效地獲取氮，除了對植物是很重要的，同時它也是生物圈內如何從無機氮變成有機氮的重要步驟。沒想到這一找竟然花了20年的時間。”

氮元素是構成生物體最基本元素之一。生物體沒有氮就無法生存。農業生產中，硝態氮是增加農作物產量的重要因素。在1980年左右，人們就認為硝態氮是植物養分和氮的來源；20世紀九十年代，人們發現植物存在感受硝態氮的能力，并且在基因表達水平上檢測到硝態氮不僅是一種營養元素，也可以作為一種信號分子。

雖然之后有很多研究都認為硝態氮是一種信號分子，但當時不清楚植物是如何感受它的。2009年，劉坤祥曾經所在的實驗室發表文章認為CHL1/NRT1.1蛋白除了膜轉運蛋白的功能以外，還存在感受硝態氮的功能，影響后面一些基因的表達。

十多年來，很多研究者都認為CHL1/NRT1.1是硝酸鹽的感受器。但劉坤祥根據多年的研究，認為它不是一個主要的硝酸鹽感受器。他一直懷疑除了CHL1/NRT1.1以外，植物應該還存在其它感受硝態氮的感受器。為了夢想，他一直在文獻與實驗中苦苦探尋。

2008年，有研究者在擬南芥中發現豆科植物NIN蛋白的同源蛋白-NLP7，它的突變體可以影響植物對氮的響應，但對它并沒有進行更深入的研究。之后有很多研究表明NLP作為一個重要的轉錄因子參與了氮信號通路。

2017年，劉坤祥發現一類鈣離子依賴的激酶CPK可以感受到外界硝態氮的刺激，影響鈣離子濃度變化，進而影響CPK的活性。同時也發現，CPK可以通過直接磷酸化NLP調控硝態氮誘導的下游基因表達。

因為找到了Nitrate-Ca2+-CPK-NLP7的連接，而且前期也實驗發現：在沒有硝態氮的情況下，大量表達NLP7或者CPK，并不會誘導下游基因的表達。因此，他極度懷疑NLP7可能可以直接感受硝態氮的存在。“NLP7蛋白感受硝態氮存在兩個可能，首先是NLP7蛋白直接結合硝態氮，其次是有一個所謂的硝酸鹽受體可以感受到硝態氮，然后結構發生改變或者有某個蛋白和它結合，然后再去調節NLP7的活性。”

大多數研究者認為NLP7可能需要跟別的蛋白結合，那個蛋白才是真正的硝酸鹽受體。但劉坤祥始終懷疑NLP7有沒有可能直接結合硝酸鹽，并為此不懈努力著。努力的結果證明他的懷疑是正確的，從設想到懷疑到發現到證明，夢想的實現用了他寶貴的二十年。

發現：“緣”來是“他”驀然間

如何證明NLP7可以直接結合硝酸鹽？這個問題一直縈繞在劉坤祥的腦海間。

一次偶然的機會，他認識了美國實驗室的一位同事。恰巧那位同事當時正在用微量熱泳動儀(MST)做研究，因此，劉坤祥就托他幫忙用MST去檢測硝酸鹽是否會結合NLP7。

由于缺乏經驗，第一次實驗他們沒有發現兩者的互作。但幸運的是，旁邊一位專門做癌癥藥物篩選的專家聽到了他們的對話，發現了實驗中的不足，提供了一些技術上的改進方案，并用儀器證實硝酸鹽會和NLP7結合。

“我非常興奮，因為這證明了我的設想。因為有這樣的發現，我在西農的故事拉開了序幕。”劉坤祥2018年由副校長馬建華和時任生命學院的院長郁飛引進，并給予了他大力支持。

來到學校后，劉坤祥迅速組建了植物氮素營養團隊，全身心投入到NLP7就是一種新的硝酸鹽受體的研究中。目前，他的團隊有博士生7人，碩士生7人，科研助理1人，師資博士后1人。

實驗室初創的時候，需要一臺能夠測量到很小株型植物中硝酸鹽含量的機器。在生命學院黨委書記劉衛軍的推進下，從食品學院農業部食品測試中心找到一臺離子色譜儀。“在本研究中，由這臺機器測定出的結果也用到了文章中，盡管圖片不大，但它也是一個非常重要的研究結果。”

為了增加這項研究的可信度，不少在植物營養研究中不常用到的新技術被應用于此，比如，在動物細胞測試蛋白結合硝酸鹽激活基因表達的實驗、表面等離子體共振等實驗。這些實驗因為在植物營養研究中應用的還很少，所以要做大量的設計和測試。但他們通過巨大的工作量，取得了這些方面的成功。

實證：果然是“他”功未央

“這不是一個人的成功，這是一個團隊的成功。”劉坤祥非常贊賞他的團隊，“他們專注科研，專心實驗，取得了‘1+1>2’的效果，這是我的幸運。”

團隊四年多的努力，證實了劉坤祥的設想，實現了他二十年的夢想——找到了硝酸鹽的感受器。同時，這個NLP蛋白是一個很特殊的例子，直接就是一個感受器，它可以感受到無機營養鹽的存在，可以結合硝酸鹽，去調控它的活性，這是一個全新的發現。