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    浙大学者发现植物“登陆”的新机理

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    植物从水生到陆生的跨越是地球生命进化中重要的里程碑之一,相较于水中的生活环境,陆地生物最显著变化就是面临更多的干旱胁迫。如何应对干旱,这是当前农业及植物科学研究的重要命题。

    由此,浙江大学农业与生物技术学院张国平教授团队的陈仲华教授课题组,与来自澳大利亚、美国、英国、以色列、加拿大和德国的27位科研人员联合攻关,提出并验证了关于植物如何在4.5亿年前由水生向陆生过渡的新理论,提出了叶绿体逆行信号通路SAL1-PAP的起源和进化的新观点。该发现加深了对植物耐旱性进化及适应气候变化的理解,对作物耐旱育种和栽培提供了新思路。

    这项研究成果,近日被知名期刊《美国国家科学院院刊》(PNAS)报道。浙江大学农业与生物技术学院赵晨晨博士和博士研究生王媛媛为共同第一作者,陈仲华教授为主要通讯作者。

    叶绿体逆行信号网络是协调植物监测和响应干旱的预警系统之一,而且在之前的研究中被认为是陆地植物才有的特性。当植物感应到干旱时,该网络能调控逆行信号蛋白以激活防御措施。

    陈仲华所在的联合研究组分析了已发表基因组的31种陆生植物和藻类的61个与叶绿体逆行信号等相关的蛋白家族,通过基因组序列分析和实验验证,他们在陆地植物的藻类祖先、最早登陆的淡水链型绿藻(轮藻和链丝藻)中发现,具有相近的能够使植物迅速应对干旱胁迫的遗传特征。陈仲华介绍,这个发现让他们找到了叶绿体逆行信号网络的起源。

    植物生长的过程中,质体基因组和细胞核基因组相互协调维持生物体的发育和功能,本文中相关分析和实验结果表明这种分子机制起源于链型绿藻,之后保留在大部分的陆地植物中。

    气孔是植物与外界交换的重要开关,当植物处于干旱环境时,气孔会控制植物体于外界的水分与二氧化碳交换,进而减少干旱对植物的影响。陈仲华课题组在对叶绿体逆行信号网络的进一步研究中,对这条通路如何影响气孔开关做了详细的研究?!按蠖嗍缴参?,例如地钱、苔藓、蕨类、农作物和其它开花植物都存在相似的逆行信号通路,而且该信号通路对陆生植物气孔关闭的调控亦非常保守?!背轮倩樯?,通过基因编辑等分子生物学方法调控该通路上的相关基因,将是耐旱育种的一种新途径。

    逆行信号的机制




    该研究提出SAL1-PAP在陆地植物中的保守性可能与PAP对气孔的调节有关。当植物感受到外界干旱环境后,PAP的磷酸酶SAL活性被抑制,从而使PAP得到积累并被运输到细胞核中,自此,从链型蓝藻保留下来的逆行信通路和脱落酸信号通路结合,调节保卫细胞中的离子转运和气孔关闭。

    张国平介绍,过去对水生和陆生的植物差异性研究多是通过组织结构角度开展,而这次课题组的研究通过大数据的材料研究,对关键基因的对比分析让人类对陆生植物进化有了更精准的认知。

    这项研究受国家自然科学基金、澳大利亚研究理事会和英国生物技术与生物科学研究理事会等多家单位的资助。

    原文链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/02/19/1812092116

    (柯溢能)

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