植物從水生到陸生的跨越是地球生命進(jìn)化中重要的里程碑之一，相較于水中的生活環(huán)境，陸地生物最顯著變化就是面臨更多的干旱脅迫。如何應(yīng)對干旱，這是當(dāng)前農(nóng)業(yè)及植物科學(xué)研究的重要命題。
由此，浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院張國平教授團(tuán)隊(duì)的陳仲華教授課題組，與來自澳大利亞、美國、英國、以色列、加拿大和德國的27位科研人員聯(lián)合攻關(guān)，提出并驗(yàn)證了關(guān)于植物如何在4.5億年前由水生向陸生過渡的新理論，提出了葉綠體逆行信號通路SAL1-PAP的起源和進(jìn)化的新觀點(diǎn)。該發(fā)現(xiàn)加深了對植物耐旱性進(jìn)化及適應(yīng)氣候變化的理解，對作物耐旱育種和栽培提供了新思路。
這項(xiàng)研究成果，近日被知名期刊《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）報(bào)道。浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院趙晨晨博士和博士研究生王媛媛為共同第一作者，陳仲華教授為主要通訊作者。
葉綠體逆行信號網(wǎng)絡(luò)是協(xié)調(diào)植物監(jiān)測和響應(yīng)干旱的預(yù)警系統(tǒng)之一，而且在之前的研究中被認(rèn)為是陸地植物才有的特性。當(dāng)植物感應(yīng)到干旱時(shí)，該網(wǎng)絡(luò)能調(diào)控逆行信號蛋白以激活防御措施。
陳仲華所在的聯(lián)合研究組分析了已發(fā)表基因組的31種陸生植物和藻類的61個(gè)與葉綠體逆行信號等相關(guān)的蛋白家族，通過基因組序列分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，他們在陸地植物的藻類祖先、最早登陸的淡水鏈型綠藻（輪藻和鏈絲藻）中發(fā)現(xiàn)，具有相近的能夠使植物迅速應(yīng)對干旱脅迫的遺傳特征。陳仲華介紹，這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓他們找到了葉綠體逆行信號網(wǎng)絡(luò)的起源。
植物生長的過程中，質(zhì)體基因組和細(xì)胞核基因組相互協(xié)調(diào)維持生物體的發(fā)育和功能，本文中相關(guān)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種分子機(jī)制起源于鏈型綠藻，之后保留在大部分的陸地植物中。
氣孔是植物與外界交換的重要開關(guān)，當(dāng)植物處于干旱環(huán)境時(shí)，氣孔會控制植物體于外界的水分與二氧化碳交換，進(jìn)而減少干旱對植物的影響。陳仲華課題組在對葉綠體逆行信號網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步研究中，對這條通路如何影響氣孔開關(guān)做了詳細(xì)的研究?！按蠖鄶?shù)陸生植物，例如地錢、苔蘚、蕨類、農(nóng)作物和其它開花植物都存在相似的逆行信號通路，而且該信號通路對陸生植物氣孔關(guān)閉的調(diào)控亦非常保守?！标愔偃A介紹，通過基因編輯等分子生物學(xué)方法調(diào)控該通路上的相關(guān)基因，將是耐旱育種的一種新途徑。
逆行信號的機(jī)制
該研究提出SAL1-PAP在陸地植物中的保守性可能與PAP對氣孔的調(diào)節(jié)有關(guān)。當(dāng)植物感受到外界干旱環(huán)境后，PAP的磷酸酶SAL活性被抑制，從而使PAP得到積累并被運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞核中，自此，從鏈型藍(lán)藻保留下來的逆行信通路和脫落酸信號通路結(jié)合，調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞中的離子轉(zhuǎn)運(yùn)和氣孔關(guān)閉。 |
張國平介紹，過去對水生和陸生的植物差異性研究多是通過組織結(jié)構(gòu)角度開展，而這次課題組的研究通過大數(shù)據(jù)的材料研究，對關(guān)鍵基因的對比分析讓人類對陸生植物進(jìn)化有了更精準(zhǔn)的認(rèn)知。
這項(xiàng)研究受國家自然科學(xué)基金、澳大利亞研究理事會和英國生物技術(shù)與生物科學(xué)研究理事會等多家單位的資助。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/02/19/1812092116
（柯溢能）
