Science：植物季節(jié)性生長全靠“體溫計”

日期：2016-10-28 08:55:43

最近，由劍橋大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的一個國際科學(xué)家小組，發(fā)現(xiàn)了一種“溫度計”分子，可使植物能夠根據(jù)季節(jié)性的溫度變化來生長。

研究人員發(fā)現(xiàn)，稱為光敏色素的分子——植物利用它在白天探測光，在黑暗中實際上改變了它們的功能，變成為細胞溫度計來測量夜晚的溫度。這項新的研究結(jié)果，發(fā)表在10月27日的《Science》雜志上，表明光敏色素控制著響應(yīng)溫度以及光的遺傳開關(guān)，來指示植物的發(fā)育。

科學(xué)家說，在夜間，這些分子會改變狀態(tài)，并且它們改變的速度，是與“溫度”成正比的，他們將光敏色素比作溫度計中的水銀。天氣越熱，這種分子變化的速度就越快，植物生長的速度也就越快。

數(shù)百年來，農(nóng)民和園丁們已經(jīng)知道，植物如何響應(yīng)溫度：溫暖的冬天可導(dǎo)致許多樹木和花卉早發(fā)芽，一些人很早就用來預(yù)測來年的天氣和收獲時間。

這項最新的研究首次指出了植物響應(yīng)溫度的分子機制。研究人員說，由于氣候的變化，天氣和溫度變得更加不可預(yù)測，因此，發(fā)現(xiàn)這種光感應(yīng)分子兼作為植物細胞內(nèi)的溫度計，可以幫助我們培育出更堅強的作物品種。

據(jù)估計，到2050年農(nóng)業(yè)產(chǎn)量將需要翻倍，但氣候變化是這個目標(biāo)的主要威脅。劍橋大學(xué)Sainsbury實驗室的研究人員Philip Wigge說：“主要作物（如小麥和水稻）對高溫敏感。每升高一攝氏度，熱應(yīng)力可使作物產(chǎn)量降低10%。發(fā)現(xiàn)讓植物探測到溫度的分子，有可能加速作物的育種，使它們對熱應(yīng)激和氣候變化具有靈活的應(yīng)變能力。”

在它們活躍的狀態(tài)中，光敏色素分子可將自己與DNA結(jié)合，限制植物的生長。白天，陽光可激活分子，從而減緩生長。如果植物發(fā)現(xiàn)自身處于陰影當(dāng)中，光敏色素就迅速失活，從而使它更快速地生長，以再次找到陽光。這就是植物如何競相逃避彼此的陰影。Wigge說：“光驅(qū)動的光敏色素變化發(fā)生的很快，不到一秒鐘的時間。”

然而，在晚上，又是一種不同的情況。日落后這個分子不是快速失活，而是逐漸從它們的活躍狀態(tài)轉(zhuǎn)換到不活躍狀態(tài)。這被稱為“暗逆轉(zhuǎn)”。Wigge說：“就像溫度計中的水銀上升，光敏色素在晚上恢復(fù)到靜止?fàn)顟B(tài)的速度，是溫度的一個直接測度。”

“溫度越低，光敏色素恢復(fù)到不活躍狀態(tài)的速度就越慢，所以分子花費更多的時間在它們的活躍的、抑制生長的狀態(tài)。這就是為什么植物在冬天生長的比較慢。溫暖的溫度可加速暗逆轉(zhuǎn)，從而使光敏色素迅速達到一個不活躍狀態(tài)，并使自己脫離DNA，從而使基因被表達，植物生長恢復(fù)。”

Wigge認為，光敏色素?zé)岣袘?yīng)是在后一階段發(fā)生演變，并在夜晚的停工期“插足”早已用于基于光的生長的生物網(wǎng)絡(luò)。一些植物主要利用日長作為季節(jié)的一個指標(biāo)。其他物種，如水仙花，有相當(dāng)大的溫度敏感性，在溫暖的冬天可以提前一個月開花。

事實上，“光敏色素的雙重作用”這一發(fā)現(xiàn)，對于一個長久以來用于預(yù)測季節(jié)的著名規(guī)律提供了其背后的科學(xué)依據(jù)，這個規(guī)律是：如果梣樹的樹葉比橡樹先發(fā)芽，那夏天雨水會很多，如果橡樹先發(fā)芽，那夏天雨水將很少。

Wigge解釋說：“橡樹比較多地依靠溫度，可能用光敏色素作為溫度計來決定發(fā)育，而梣樹依靠測量一天的日長，來確定它們的季節(jié)性時間。因此，如果春天較溫暖，更有可能有一個炎熱的夏天，將導(dǎo)致在橡樹發(fā)芽的時間比梣樹早。如果春天比較寒冷，情況則相反。由于英國人知道的太清楚了，比較涼爽夏天很可能就是一個雨水浸泡的夏天。”

這一新發(fā)現(xiàn)是十二年來研究的成果，包括來自德國、阿根廷和美國的科學(xué)家以及劍橋大學(xué)的科學(xué)小組。這項工作是在模式植物擬南芥中完成的，但Wigge說，溫度傳感所必要的光敏色素基因，也在作物中被發(fā)現(xiàn)過。

Wigge說：“現(xiàn)在，在植物遺傳學(xué)領(lǐng)域的進展意味著，科學(xué)家能夠迅速識別控制作物這些過程的基因，甚至使用的精確分子‘刀’改變它們的活性。劍橋大學(xué)是非常適合進行這種研究，因為我們附近有杰出的合作者，致力于植物生物學(xué)更具應(yīng)用性的方面，并可以幫助我們把這一新的知識轉(zhuǎn)化到田間。”