Science：解析植物缺水的分子機制

日期：2016-11-07 09:32:07

我們都知道，當植物缺水時，它們的葉子會枯萎，它們開始看起來干干的。但是在分子水平上發生了什么呢？

最近，美國索爾克研究所的科學家們，在這個問題的答案上實現了重大飛躍，這對于幫助農作物適應干旱及其他氣候相關壓力源，是至關重要的。

最新的研究表明，在面對環境困境時，植物會使用一小組蛋白質作為“指揮員”，來管理它們對壓力的復雜響應。這些結果發表在11月4日的《Science》雜志，可能有助于開發新的技術，來優化植物中的水分利用。

本文資深作者、霍華德休斯醫學研究所研究員、索爾克研究所基因組分析實驗室主任Joseph Ecker教授指出：“在分子水平上，植物對一個壓力源的反應，是一個非常復雜的過程，涉及到數百個基因。我們現在發現了這一分子事件中的關鍵指揮者，這可能為幫助植物更好地耐受壓力提供了線索，例如面臨氣候變化的干旱。如果你能控制這些導體中的一個，你就能控制所有它引導的基因。”

植物如何很好地應對壓力，可能取決于它是生存并茁壯成長，還是屈服于脅迫。正如同人類有腎上腺素這樣的激素，幫助我們應對威脅，植物也有一些關鍵的激素，讓它們在其生存的環境中應對壓力。其中一種激素是脫落酸（ABA），這種植物激素參與種子發育和水分優化。

當水分稀缺或鹽度高的時候，根和葉會產生ABA。雖然激素被理解為可影響植物的應激反應，但是科學家們對于“它被釋放后總體水平發生了什么事情”還知之甚少。

本文第一作者、索爾克研究所植物生物學實驗室的Liang Song指出：“只有幾十個調節蛋白決定著數百乃至數千個基因的表達。通過了解這些主調節因子是什么，以及它們如何起作用，我們可以更好地理解并潛在地調節應激反應。”

在他們的研究中，索爾克研究所的科學家們實時跟蹤了植物響應ABA的基因活動變化，并識別了這些主蛋白（控制著對一系列外部壓力——包括干旱——的響應）中的少量蛋白。該研究團隊使用一種技術，映射出這些調節蛋白與DNA結合的位置，定義了協調基因表達的關鍵因子，從而允許對正在改變的條件產生一個有效的細胞反應。

Salk團隊專注于已知響應ABA的候選調節蛋白。他們將參考植物擬南芥的3日齡幼苗暴露于脫落酸，并在固定的時間點上檢查基因表達，總共超過60個小時。

在這個過程中，他們收集了122個數據集，涉及33602個基因，其中3061個基因是在至少一個時間點中不同水平上表達的。數據的分析顯示了一個層次結構的控制，一些調控蛋白被列為基因表達最重要的貢獻者。有趣的是，在一個特定的時間點上蛋白結合模式的快照，可以在很大程度上解釋“大的時間跨度上的基因表達”?？傊?，這些動態顯示出，對環境觸發因子有一個協調的全基因組響應。

Song說：“有了這個網絡視圖，我們可以看到，這些組件中的一些，是由相同的主調節蛋白靶定的，這表明精確和協調的遺傳控制。這對于農業用途可能是重要的，因為調節一個基因反過來可能會刺激或抑制另一組基因，從而讓我們全面的設計干預措施。

這些結果反映了2013年Ecker實驗室對植物激素乙烯的研究，表明這種協調的和遞階的遺傳活性控制，可能在開花植物中是很常見的。