在兩份出版物中,烏得勒支生物學家和國際同事描述了植物適應溫暖的過程。 這些發現為植物在次優高溫下如何發揮最佳功能提供了見解。 它還可以為控制植物的生長並使它們更能抵抗全球變暖提供墊腳石。 研究人員在《植物雜誌》和《自然通訊》上發表了他們的研究結果。
沙漠中的北極熊
然而,許多植物物種已經開發出應對更高溫度的方法。 “與動物不同,許多植物可以根據溫暖和其他環境因素調整自己的體型,”烏得勒支大學附屬研究員 Martijn van Zanten 說,他為這兩本出版物做出了貢獻。 “動物是一個完全不同的故事。 簡單的說,如果你把北極熊放在沙漠裡,它看起來仍然像一隻披著厚厚毛皮的北極熊。 但如果植物在溫暖的條件下生長,它會相應地調整其體型。 通過這種方式,工廠試圖在這些不太有利的條件下以最佳方式運行。”
從緊湊型到開放式植物形式
許多植物物種可以調整其莖葉的形狀,使它們更耐高溫。 對於被許多植物生物學家視為他們最喜歡的植物模型的擬南芥 (Arabidopsis thaliana) 也是如此。 在寒冷的條件下,這些植物緊湊,葉子靠近地面。 當溫度升高時,它們會採取更開放的姿勢。 例如,葉子變得更加直立。 這大大減少了來自太陽的直接輻射。 此外,葉柄會伸展,讓更多的風通過葉子並散發熱量。
想要和不想要的拉伸
然而,在作物和(切)花中,這種拉伸通常是不需要的。 種植者希望控制這些變化,因為拉伸會影響產品質量。 “但與此同時,為了使作物對氣候變化導致的高溫具有更強的抵抗力,適應是必要的。 這是長期維持生產所必需的,”Van Zanten 說。
使植物更耐氣候
“許多栽培作物已經失去了對高溫做出良好反應的能力,”Van Zanten 說。 “在各種作物中,它在馴化和育種過程中消失了,因為育種者主要關注其他性狀。”
隨著氣候變化推高氣溫,Van Zanten 說越來越需要讓植物更耐氣候。 “這需要了解植物如何應對更高的溫度。 它們如何將接收到的溫度信號轉化為生長適應性? 研究植物適應次優溫度的分子機制,可以提供通過育種調整作物結構的工具。”
分子機制開啟熱態
不再適應更高溫度的水芹植物在暴露於某些化學物質時可以重新獲得這種能力。 這是由 Van Zanten 領導的國際研究小組發現的。 該團隊在一個不再適應高溫的 thale 水芹突變體上測試了大量物質。 他們發現了一種分子,即使在低溫下,它也可以“開啟”幼苗對高溫的適應。
研究人員稱這種化合物為“Heatin”。 通過對分子進行化學修飾,然後研究哪些蛋白質可以與加熱結合,他們發現了一組稱為腈水解酶的蛋白質。 已知已識別的亞群僅出現在捲心菜和相關物種中,包括對白菜。
生物學家與一家植物育種公司一起發現,捲心菜物種確實對加熱有反應。 他們還發現腈水解酶是適應高溫所必需的,可能是因為它們能夠產生眾所周知的生長激素生長素。 研究人員在《植物雜誌》上發表了這一發現。
高溫適應新途徑
Heatin 結果的發表與今天在 Nature Communications 上的另一篇論文同時發表。 該研究由比利時 VIB 研究所的科學家領導,Van Zanten 也參與其中。 該團隊發現了一種以前未描述的蛋白質,可以調節植物適應溫暖環境的方式。 該蛋白質被命名為 MAP4K4/TOT3,其中 TOT 表示溫度目標。
值得注意的是,TOT3 驅動的過程在很大程度上獨立於生物學家迄今為止與植物溫暖適應相關的所有其他信號通路。 此外,TOT3 的適應性似乎並不取決於照射在植物上的光的數量和組成。
Van Zanten:“植物使生長適應不斷變化的光成分和高溫的分子機制有很多重疊。 有了 TOT3,我們現在有了一個可以在高溫下控制生長的因素,而不會干擾植物處理光的方式。”
廣泛的應用
“更有趣的是,”Van Zanten 說,“TOT3 在高溫下的水芹和小麥的生長適應中發揮著相似的作用。 這兩個物種在基因上彼此完全分離。 因此,這為廣泛的應用提供了巨大的潛力。”
生長抑製劑的替代品
最終,TOT3 的發現和腈水解酶的作用可以幫助繼續種植足夠的作物,即使溫度因氣候變化而上升。 這些發現還為開發現在常用於抑制植物生長的化學品的替代品提供了機會。 例如,Van Zanten 提到了切花,它對溫度波動的反應非常強烈。 因此,在花卉栽培中,許多生長抑製劑用於保持植物美觀和緊湊。
“例如,當您購買鬱金香時,它們的莖仍然很短,”Van Zanten 說。 “但是在你家幾天后,它們開始掛在花瓶的邊緣。 較高的室內溫度會導致植物伸展,最終導致它們跛行和彎曲。 我們希望新知識將有助於選擇在高溫下伸展較少的新花卉品種。 通過這種方式,我們可以減少有害生長抑製劑的使用。”
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烏得勒支大學
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