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研究发现植物利用其内部昼夜节律来适应水分供应和盐分水平的波动

2024-3-2 28 3/2

气候变化目前正在影响农业生产率,并可能最终对全球粮食安全构成相当大的风险。开发抗逆性更强、能够抵御干旱或土壤盐度升高等条件的作物已成为当务之急。南加州大学凯克医学院的一项新研究得到了美国国立卫生研究院的部分资助,该研究揭示了植物如何调节其对压力反应的细节,这些细节可能对这些努力至关重要。

研究人员发现,植物利用它们的昼夜节律钟来应对一天中外部水分和盐分水平的变化。同样的回路--由一种名为 ABF3 的蛋白质控制的优雅反馈回路--也有助于植物适应干旱等极端条件。这些研究成果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

"关键是植物被困在原地。它们无法跑来跑去喝水。它们不能随心所欲地移动到阴凉处,也不能远离盐分过高的土壤。正因为如此,它们才进化到利用昼夜节律来精确测量和适应环境,"该研究的资深作者、凯克医学院神经学、生物医学工程和定量计算生物学的大学和教务长教授、南加州大学米切尔森聚合生物科学中心主任史蒂夫-A-凯(Steve A. Kay)博士说。

研究发现植物利用其内部昼夜节律来适应水分供应和盐分水平的波动

拟南芥幼苗表达昼夜节律时钟报告基因对水胁迫反应的生物发光图像"。图片来源:南加州大学童亮博士/凯实验室

凯的实验室长期致力于研究昼夜节律时钟蛋白在植物和动物中的作用。昼夜节律调节生物变化的时钟蛋白可能为作物工程中的一个持续挑战提供了一个精明的解决方案。培育抗旱植物非常困难,因为植物会通过减缓自身的生长和发育来应对压力--过度的压力反应意味着植物表现不佳。

"在提高植物抗逆性的同时,还要最大限度地提高其生长和产量,这两者之间存在着微妙的平衡,"凯说。"气候变化使解决这一难题变得更加紧迫。"

寻找反馈回路

以前的植物生物学研究表明,时钟蛋白调控着植物中约 90% 的基因,是植物对温度、光照强度和昼长(包括决定植物何时开花的季节性变化)做出反应的核心。但一个悬而未决的大问题是,时钟蛋白是否以及如何控制植物处理不断变化的水和土壤盐度的方式。

为了探索这种联系,凯和他的团队研究了拟南芥。拟南芥是一种常用于研究的植物,因为它个头小、生命周期快、基因组相对简单,而且与许多农作物有共同的性状和基因。他们创建了一个包含 2000 多种拟南芥转录因子的文库,这些转录因子是控制基因在不同环境下表达方式的蛋白质。转录因子可以提供有关生物过程调控的关键信息。然后,研究人员建立了一个数据分析管道,对每个转录因子进行分析并寻找关联。

凯说:"我们得到了一个非常大的惊喜:时钟调控的许多基因都与干旱反应有关,尤其是那些控制脱落酸激素的基因,脱落酸是植物在水位很高或很低时产生的一种胁迫激素。"

分析表明,脱落酸水平受时钟蛋白和转录因子 ABF3 的控制,这就是凯所说的"同态反馈回路"。在一天的时间里,时钟蛋白调节 ABF3,帮助植物应对不断变化的水位,然后 ABF3 将信息反馈给时钟蛋白,以控制应激反应。当条件变得极端时,例如干旱期间,同样的循环有助于植物适应。遗传数据还揭示了处理土壤盐度变化的类似过程。

这种回路的真正特别之处在于,它能让植物在对外界压力做出反应的同时,控制住自身的应激反应,从而继续生长发育。

改造更好的作物

研究结果指出了两种可能有助于提高作物抗逆性的新方法。农业育种者可以在昼夜节律ABF3回路中寻找和选择天然存在的遗传多样性,这种多样性能让植物在应对水和盐分胁迫时略胜一筹,即使抗逆性略有提高,也能大幅度提高作物产量。

凯和他的同事还计划探索一种基因改造方法,利用CRISPR来设计促进ABF3的基因,从而设计出高度抗旱的植物。这可能是在思考如何调节作物植物以提高其抗旱性方面的一个重大突破。

编译来源:ScitechDaily

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