我们能够看出来植物什么时候需要水:它们的叶子枯萎,看起来干干的。但这时候在分子水平上会发生什么变化呢?
美国索尔克研究所的科学家们在该问题...
我们能够看出来植物什么时候需要水:它们的叶子枯萎,看起来干干的。但这时候在分子水平上会发生什么变化呢?
美国索尔克研究所的科学家们在该问题的研究上取得了重大进展,这对于植物适应干旱和其它气候压力非常关键。
最新研究表明,在面对艰难环境的时候,植物会使用一小组蛋白质作为导体来管理它们对于环境压力的复杂反应 。该研究成果发表在11月4日出版的《科学》期刊上,这项研究有助于开发新技术,优化植物对水的利用。
“植物应对压力源在分子水平上是一个高度复杂的过程,涉及到数百个基因,”论文资深作者约瑟夫 埃克说,他是霍华德休斯医学研究所研究员,索尔克基因组分析实验室教授和主任,以及索尔克遗传学国际理事会成员。“我们已经发现了分子水平上的关键导体,这可能为我们提供线索,帮助植物在面对气候变化时更好地忍受压力,如干旱。如果你能控制这些导体中的一个,你就可以控制它影响的所有的基因。”
植物对压力的应对程度能够确定,它在压力下是否能够生存、繁茂或是屈服。正如人类的激素,如肾上腺素,帮助我们应对威胁,植物也有一些关键激素,在它们所处的环境中,帮助植物应对压力。其中之一是脱落酸(ABA),一种参与种子发育和水分优化的植物激素。
当水分稀缺或盐度过高时,植物的根和叶子会产生脱落酸。虽然激素会影响植物的应激反应,但是对于它们被释放出来后,植物到底会发生什么变化,目前科学家们对此知之甚少。
“只是几十个调节蛋白就决定了数百个基因表达,而不是几千个基因,” Liang Song说,他是该论文的第一作者,索尔克植物生物学实验室研究助理。“通过了解什么是主调节蛋白,它们如何工作,我们就可以更好地了解和调节应激反应。”
在他们的研究中,索尔克团队跟踪了回应ABA时植物基因活性的实时变化,识别出了应对各种不同外部压力的主要蛋白,包括干旱。使用了一种技术,绘制出这些与DNA绑定的调节蛋白的具体位置,该团队确定了协调基因表达的关键因素,面对变化的环境使得有效的细胞反应能够顺利发生。
索尔克团队重点研究对ABA进行回应的那些调节蛋白。它们将3日龄的拟南芥幼苗与脱落酸接触,检查在超过60个小时的几个时间点上基因表达的变化。
在这个过程中,他们收集了122个数据集,涉及33602个基因,其中3061个在至少一个时间点进行了不同水平的基因表达。数据的分析显示了控制的层次结构,一些调节蛋白是基因表达的最重要的贡献者。有趣的是,在一个特定的时间点,蛋白结合模式的瞬间变化,可以在很大程度上解释较长时间的基因表达。总之,这些动态变化表明,协同全基因组应对环境变化。
“有了这个网络化视角,我们可以了解到,这些组成是由相同的主要调节蛋白触发的,是精确和协调的基因控制过程,”Song说。“这对于农业非常重要,因为调节一个基因能够反过来刺激或抑制另一组基因,这可以让我们进行全面的干预设计。”