植物虽没有神经系统，却能精准调控各器官生长发育的动态进程，快速应对各类逆境胁迫——这堪称自然界最精妙的“智慧生长”策略典范。其核心奥秘在于，植物通过器官间“信使”的信息传递，实现了资源的高效精准配置。然而，由于缺乏高效筛选长距离信号元件的技术体系，相较于单一器官水平响应机制的认知，我们对器官间协同调控机制的理解仍较为有限。值得关注的是，氮作为植物生长发育必需的大量营养元素，氮营养适应性是局部和系统响应共同作用的典型案例，其跨器官调控的系统性响应机制更是亟待解析的核心科学问题。
2025年7月16日，浙江大学生命科学学院郑绍建教授团队与日本东京大学Shuichi Yanagisawa教授团队合作，在Nature Plants期刊在线发表“Trans-organ analysis of gene co-expression networks reveals a mobile long-distance regulator that balances shoot and root development in Arabidopsis”研究论文，成功研发出首个系统性筛选植物长距离移动信号因子的突破性方法，通过这一技术体系绘制了首张多器官氮响应的“基因表达谱全景地图”。在此基础上，精准鉴定到作为关键“信使”的转录因子TGA7——其在茎叶与根系间动态穿梭，精准统筹调控植物在低氮胁迫下的整体生长策略。
核心突破：从“大海捞针”到“精准导航”——跨器官基因共表达网络分析方法实现长距离调控因子系统筛选。传统研究往往局限于单一器官，难以捕捉植物器官间的协同调控。本研究首创性地研发出跨器官基因共表达网络分析方法，整合了17个不同生态型拟南芥在氮充足与氮缺乏条件下的地上部与根系转录组数据，首次绘制出由地上部转录因子主导的根系氮响应的“基因表达谱”。基于此，研究人员从2000多个地上部转录因子中精准锁定了5个对根系低氮响应具有显著调控作用的关键因子，并逐一验证其调控效应。该方法如同为科研人员配备了“基因GPS”，大幅提升了植物长距离调控因子的筛选效率，填补了植物长距离信号系统识别的技术空白，并为研究激素、小肽等信号因子提供了通用模板。
图1.地上部TFs整合的根系低氮响应网络和核心转录因子筛选
机制揭秘：TGA7的“双重使命”——统筹能量产生与氮素获取。在锁定的转录因子中，bZIP家族的TGA7表现出最显著的调控潜力，其在茎叶中的表达水平与根系中多种关键氮响应基因（如硝酸盐转运蛋白）的表达呈现强相关性。研究人员进一步通过转基因、嫁接等遗传学和生理实验，证实TGA7以蛋白形式在植物体内移动，并通过双重机制实现地上部和根系生长的精准平衡：在地上部，TGA7激活Lhcb2.3、Lhcb6等光合作用相关基因，增强能量合成；而在根系，TGA7直接激活NRT2.1的表达，并通过调控NF-YA10转录，进而间接激活NRT2.4/NRT2.5等基因，显著提升根系硝酸盐吸收能力。更重要的是，在缺氮环境中，茎叶维管组织中TGA7表达显著提升，TGA7蛋白通过韧皮部运输至根部，在抑制茎叶过度生长的同时促进根系生长和氮吸收，实现植物在资源受限状态下的资源“精准分配”。
图2.移动信号TGA7调控植物生长的多重效应的模式图
这项研究不仅开发出了突破传统单器官研究局限、且可扩展的筛选跨器官移动信号分子的技术体系，还揭示了植物如何通过分子“信使”TGA7协调不同器官的资源分配的智慧策略，为作物抗逆和养分高效等育种提供了新基因资源和理论基础。未来，该方法有望应用于更多农艺性状调控因子的筛选，并通过精准调控“信使”的表达与运输，实现作物冠根协调优化，助力粮食安全与农业绿色发展。
浙江大学生命科学学院叶佳园博士为论文第一作者，日本东京大学Shuichi Yanagisawa教授为通讯作者，浙江大学生命科学学院郑绍建教授给予了重要支持和指导。日本东京大学Yasuhito Sakuraba副教授、卓梦娜博士、Yousuke Torii博士、Namie Ohtsuki博士，中国水稻研究所田文昊副研究员，浙江大学生命科学学院金崇伟教授和日本RIKEN研究所的Keiichi Mochida研究员为共同作者。感谢浙江大学环境与资源学院已毕业博士朱清扬和周苗提供的实验支持。该研究由日本学术振兴会JSPS、科学技术振兴机构JST、国家资助博士后研究人员计划和博后面上项目、中国留学基金委的资助。
https://doi.org/10.1038/s41477-025-02052-3
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