植物如何快速适应不断变化的环境条件
2021 年 6 月 30 日
植物如何快速适应不断变化的环境条件
索尔克科学家发现，竞争植物的树冠遮荫会在短短五分钟内引发细胞变化
2021 年 6 月 30 日
拉荷亚——科学家和园丁们早就知道，当植物受到生长紧密的邻居的遮荫时，它们会长得更高、开花得更快。 现在，索尔克研究所的研究人员首次展示了这一过程的详细内部运作原理。
该研究于 17 年 2021 月 XNUMX 日发表于 “自然遗传学，提供了对基因活动如何指导植物生长以及植物对环境的反应速度的新理解——光照条件的变化在短短五分钟内触发分子变化。 这些发现为在气候变化导致地球可耕地面积减少的情况下如何提高产量和保障世界粮食生产提供了见解。
在植物暴露于阴影之前和之后可以看到植物细胞的细胞核。 在顶部图像（之前）中，转录因子 PIF7（红色）被限制在包含植物光传感器（绿色）的斑点中。 在下面的图像中（后），在阴影植物中，PIF7 被释放，然后它可以自由地与 DNA 结合并启动基因活性。点击这里 以获得高分辨率图像。
图片来源：Chan Yul Yoo，加州大学河滨分校孟晨实验室
“这篇论文以高分辨率展示了植物如何在细胞水平上响应微妙的环境变化，”共同通讯作者说 乔安妮·乔里索尔克植物分子和细胞生物学实验室主任、霍华德休斯医学研究所研究员、霍华德 H. 和玛丽亚姆 R. 纽曼植物生物学主席。 “随着气候变化影响的加剧，揭示植物如何适应更大环境压力的工作将变得至关重要。”
阴凉处的植物生长得更快更高，以努力突破树冠并获得更多的光照。 与此同时，遮荫的生长条件使它们比正常情况更早开花和产生种子，以便在竞争中胜过其他植物。 这些反应可能对草地上生长的野花有帮助，但在农场，它们会减少产量并导致农作物苦涩、低质——任何生菜抽苔的园丁都知道。
在这项新研究中，研究人员研究了特定转录因子在激活这种生长反应中的作用。 转录因子是通过与 DNA 结合来打开或关闭基因的蛋白质。
该团队研究了缺乏称为 PIF（植物色素相互作用因子）的转录因子的突变幼苗。 当他们在模拟遮荫的环境中种植这些植物时，没有某些 PIF 的植物并没有拉长或加速生长，而是继续正常生长，就像在充足的阳光下一样。 此前，Chory 实验室表明 PIF7 在调节遮荫诱导的生长中发挥着最重要的作用。
然后，研究人员仔细研究了组蛋白在这一过程中的作用，特别是组蛋白变体 H2A.Z。 组蛋白是一种蛋白质，其作用类似于 DNA 链的线轴。 当组蛋白被交换或修饰时，它们可以激活或抑制某些基因。
科学家们发现，树冠遮荫导致生长调节基因上的组蛋白 H2A.Z 通过 PIF7 的 DNA 结合被去除，从而激活了它们的表达。
通过使用非常短的时间间隔进行实验，研究人员发现 PIF7 被激活，结合其目标基因，并启动 H2A.Z 的去除，所有这些都在植物经历树冠遮荫的前 5 分钟内完成。
“我们的研究描述了植物如何改变基因表达以应对不断变化的环境的机制理解的又一步，”共同通讯作者说 约瑟夫·艾克，霍华德休斯医学研究所研究员和索尔克基因组分析实验室教授。
先前的研究已确定 PIF 和 H2A.Z 在植物暴露于高温的反应中具有重要作用； 然而，该研究的合著者、霍华德休斯医学研究所乔里实验室的研究专家 Björn Willige 指出，事件发生的时间尚不清楚。
“我们的研究详细揭示了这一机制，并显示了反应的快速性质。 我们发现当 PIF7 活跃时，它会与 DNA 结合。 我们的数据表明，这会导致 H2A.Z 从 DNA 中去除。 随后，基因被激活，然后诱导生长，从而超越邻近的植物，”威利格说。
罗格斯大学瓦克斯曼微生物研究所助理教授、合著者马克·赞德 (Mark Zander) 表示，这一过程的速度出乎意料。 他指出，除了在五分钟内触发应激反应外，当遮荫被移除时，组蛋白景观也迅速恢复。
“当我们移除阴影时，PIF2 靶基因的 H7A.Z 水平在 30 分钟内恢复正常，”他说。 “我对这个过程的动态程度感到惊讶，这确实是我们研究的优雅的基础。”
PIF 在植物的生长、发育和害虫防御中发挥着重要作用。 因此，该团队希望他们的发现能够转化为对农民重要的其他植物反应，特别是在帮助植物更好地适应气候变化方面。 索尔克研究所的 利用植物倡议 寻求通过优化植物捕获和储存碳的自然能力来帮助解决气候变化。
这项研究的其他作者包括俄克拉荷马州立大学的 Chan Yul Yoo； 索尔克的 Amy Phan、Renee M. Garza、Shelly A. Trigg、Yupeng He、Joseph Nery 和 Huaming Chen； 和加州大学河滨分校的陈萌。
该研究得到了美国国家科学基金会、美国能源部、戈登和贝蒂摩尔基金会、美国国立卫生研究院、霍华德休斯医学研究所、欧洲分子生物学组织、人类前沿科学计划和德国研究协会的支持。
作者： 10.1038/s41588-021-00882-3
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