分子導(dǎo)體有助于植物對(duì)干旱作出反應(yīng)

我們可以知道植物什么時(shí)候需要水:它們的葉子下垂，開始看起來干燥。但是在分子水平上發(fā)生了什么?索爾克研究所(Salk Institute)的科學(xué)家在回答這個(gè)問題上取得了突破性進(jìn)展。這個(gè)問題對(duì)于幫助農(nóng)業(yè)適應(yīng)干旱和其他與氣候有關(guān)的壓力源可能至關(guān)重要。

這項(xiàng)新研究表明，在面臨環(huán)境困難的情況下，植物會(huì)利用一小群蛋白質(zhì)作為導(dǎo)體，來管理它們對(duì)壓力的復(fù)雜反應(yīng)。這一研究結(jié)果將在11月3日的《科學(xué)》雜志上發(fā)表，它將有助于開發(fā)優(yōu)化植物水分利用的新技術(shù)。

“植物對(duì)壓力源的反應(yīng)在分子水平上是一個(gè)高度復(fù)雜的過程，涉及數(shù)百個(gè)基因，”資深作者約瑟夫·?？?Joseph Ecker)說。“我們?cè)谶@個(gè)分子交響曲中發(fā)現(xiàn)了關(guān)鍵的指揮家，這可能為幫助植物更好地承受氣候變化帶來的壓力提供線索，比如干旱。”如果你能控制其中一個(gè)導(dǎo)體，你就能控制所有跟隨它的基因。

植物對(duì)壓力的反應(yīng)如何，可以決定它是生存和生長(zhǎng)，還是屈服于威脅。就像人類有腎上腺素這樣的激素可以幫助我們應(yīng)對(duì)威脅一樣，植物也有一些關(guān)鍵的激素可以讓它們對(duì)環(huán)境中的壓力做出反應(yīng)。其中之一是脫落酸(ABA)，一種參與種子發(fā)育和水分優(yōu)化的植物激素。

當(dāng)水缺乏或鹽度高時(shí)，根和葉產(chǎn)生ABA。盡管這種激素被認(rèn)為會(huì)影響植物的應(yīng)激反應(yīng)，但科學(xué)家對(duì)其釋放后的全球變化知之甚少。

Salk植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究助理、論文第一作者梁松(音譯)說:“僅僅幾十種調(diào)控蛋白就能控制數(shù)百乃至數(shù)千個(gè)基因的表達(dá)。”“通過了解這些主要的監(jiān)管機(jī)構(gòu)是什么，以及它們是如何運(yùn)作的，我們可以更好地理解并可能調(diào)節(jié)壓力反應(yīng)。”

在他們的研究中，Salk團(tuán)隊(duì)追蹤了植物對(duì)ABA的反應(yīng)中基因活性的實(shí)時(shí)變化，并確定了一些控制對(duì)包括干旱在內(nèi)的多種外部脅迫反應(yīng)的主蛋白。研究小組利用一種技術(shù)，繪制出這些調(diào)控蛋白與DNA結(jié)合的位置，確定了協(xié)調(diào)基因表達(dá)的關(guān)鍵因素，使細(xì)胞能夠?qū)Σ粩嘧兓臈l件做出有效的反應(yīng)。

Salk團(tuán)隊(duì)專注于已知對(duì)ABA有反應(yīng)的候選調(diào)控蛋白。他們將3天大的參考植物擬南芥幼苗置于脫落酸中，并在60小時(shí)以上的固定時(shí)間點(diǎn)檢測(cè)基因表達(dá)。

在這個(gè)過程中，他們收集了122個(gè)數(shù)據(jù)集，涉及33,602個(gè)基因，其中3,061個(gè)基因在至少一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上以不同的水平表達(dá)。對(duì)數(shù)據(jù)的分析揭示了一個(gè)控制的層次結(jié)構(gòu)，其中一些調(diào)控蛋白是基因表達(dá)的主要貢獻(xiàn)者。有趣的是，一個(gè)特定時(shí)間點(diǎn)上蛋白質(zhì)結(jié)合模式的快照可以在很大程度上解釋長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的基因表達(dá)。綜上所述，這些動(dòng)態(tài)表明了全基因組對(duì)環(huán)境誘因的協(xié)同反應(yīng)。

宋說:“從這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的觀點(diǎn)來看，我們可以看到，這些成分中的一些是由相同的主調(diào)控蛋白靶向的，這表明基因控制是精確和協(xié)調(diào)的。”“這可能對(duì)農(nóng)業(yè)用途很重要，因?yàn)檎{(diào)節(jié)一個(gè)基因反過來又能刺激或抑制另一組基因，從而實(shí)現(xiàn)干預(yù)措施的全面設(shè)計(jì)。”

這一結(jié)果與Ecker實(shí)驗(yàn)室2013年對(duì)植物激素乙烯的研究結(jié)果一致，表明這種基因活動(dòng)的協(xié)調(diào)和分級(jí)控制可能在開花植物中很常見。

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