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揭示谷类作物耐旱奥秘,植物激素茉莉酸也具有

来源:http://www.bLoom-fLourish.com 作者:新闻资讯 人气:124 发布时间:2019-10-10
摘要:麦、稻、玉米等谷类作物的抗旱能力通常比其他很多植物强。德国科学家最新发现了其中的原因,相关知识有望用于培育抗旱能力更强的农作物。 植物叶、茎等处的气孔是空气和水蒸气

麦、稻、玉米等谷类作物的抗旱能力通常比其他很多植物强。德国科学家最新发现了其中的原因,相关知识有望用于培育抗旱能力更强的农作物。 植物叶、茎等处的气孔是空气和水蒸气的通路,二氧化碳可以通过气孔进入植物体完成光合作用,多余的水分可以通过气孔排出,而它们的通过量则由保卫细胞的开闭来调节。

茉莉酸不仅仅是化妆品和香水工业中使用的茉莉花植物的芳香气味。被例如咀嚼食草动物伤害的植物产生茉莉酸作为防御信号,作为植物激素来产生其防御反应

这包括例如有毒物质的形成。他们甚至使用挥发性的茉莉酸衍生物来警告他们的邻居及时对抗不断上升的威胁。

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今天,由德国巴伐利亚州Julius-Maximilians-UniversitätWürzburg的植物生物学家Dirk Becker领导的国际研究小组报告了他们在科学杂志“发育细胞”中关于茉莉酸效应的新发现。他们发现茉莉酸也参与了气孔的快速闭合。

伤口通过茉莉酸诱导气孔关闭

气孔是由植物叶子表皮中的两个保卫细胞形成的可调节孔。它们控制对光合作用至关重要的二氧化碳摄取,同时控制植物的水分平衡。植物激素脱落酸代表了气孔关闭的关键信号。植物在干旱胁迫期间产生ABA以节约水。

在他们通过生物胁迫控制保卫细胞体积的实验中,来自JMU植物生理学和生物物理学主席的团队注意到,模式植物拟南芥叶片的机械伤害也很快引发气孔关闭。令人惊讶的是,这种效果并不局限于受伤的叶子,而是也发生在相邻的叶子中。

“此观察结果之前没有报道过,并向我们建议茉莉酮酸信号通路可能已经在保卫细胞中开启,”Dirk Becker解释道。但是如何监测保卫细胞中的茉莉酸信号呢?在这里,Würzburg团队得到了植物生物学家Antoine Larrieu(EcoleNormaleSupérieureLyon)的帮助,他们开发了一种基因编码的荧光传感器,用于监测活细胞中的茉莉酮酸信号。他可以证明创伤确实激活了保卫细胞中的茉莉酸信号级联反应。

从茉莉酸到钾通道

气孔关闭需要保卫细胞离子通道介导的阴离子和钾的流出。为了解茉莉酸控制气孔关闭的基础的分子机制,Becker团队出去寻找对茉莉酮酸处理没有反应的突变体。

当筛选其保卫细胞离子通道的突变体集合时,他们发现K +通道是茉莉酮酸诱导的气孔关闭的基本目标。与JörgKudla(UniversitätMünster)和Erwin Grill(TechnischeUniversitätMünchen)的实验室合作,他们可以识别钙依赖性蛋白激酶

  • 植物特异性CBL / CIPK复合物 - 以相互作用并调节GORK钾通道的活性。 。“伤口诱导保卫细胞中的钙信号,在电生理学研究中,我们可以证明钙结合CBL1 / CIPK5复合物激活离子通道,”Dirk Becker说。

分子串扰的两种植物激素

该研究小组进一步确定了蛋白磷酸酶ABI2以抵消激酶介导的通道激活,从而代表了保卫细胞中茉莉酮酸信号传导的负调节因子。Becker进一步解释说,“有趣的是,ABI2是植物干旱激素ABA的共同受体。这表明两种植物激素茉莉酸和脱落酸之间存在分子串扰。”事实上,与Pedro Rodriguez实验室(Universitat Politecnica Valencia)的同事一起,研究小组可以证明缺乏保卫细胞ABA受体的拟南芥突变体对茉莉酸也不敏感。

在他们的故事中,由JMU科学家Dirk Becker领导的国际植物生物学家团队在理解允许植物对保卫细胞中的创伤应激作出反应的分子框架方面迈出了重要的一步。叶片膨胀和光合速率与气孔导度相关。

因此,伤口诱导的气孔关闭可能为植物提供紧急信号。“目前我们还不知道茉莉酸如何解决脱落酸信号传导途径,”贝克尔说。Würzburg团队现在将研究茉莉酸是否会引发脱落酸生物合成,或者它是否在脱落酸感知和敏感性水平上起作用。

关于Coronatine的令人费解的观察

植物致病性假单胞菌能够产生茉莉酸的分子模拟物,称为冠状病毒。植物生理学家通常在他们的实验中使用Coronatine作为茉莉酸的替代品。

“然而,从长远来看,”Becker解释说,“Coronatine恰好与保卫细胞中的茉莉酸相反:它打开气孔,为致病菌提供进入途径。”通过比较茉莉酸或冠状病毒处理后保卫细胞中差异表达的基因,可以在未来的研究中解决这一令人费解的观察结果。

其他植物的气孔周围通常只有一对保卫细胞,而谷物的叶片气孔周围,在一对哑铃状的保卫细胞外侧还有一对副卫细胞。

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德国维尔茨堡大学研究人员在新一期美国《当代生物学》杂志上介绍,他们借助显微镜观察大麦后发现,气孔关闭时,这两个副卫细胞会吸收并储存保卫细胞中的钾离子和氯化物,待气孔打开时再将这些离子输送回保卫细胞。副卫细胞相当于钾离子和氯化物的动态储存库,使保卫细胞调节气孔开度更快捷高效,从而减少水分浪费。

此外,还有一种机制让谷物能够更好地应对干旱等极端环境。通常情况下,植物在缺水时会产生一种名为“脱落酸”的激素,使气孔迅速关闭,防止枯萎。德国研究人员发现,大麦等谷物保卫细胞内的慢阴离子通道蛋白与其他植物的同类蛋白有两个氨基酸不同,这使谷物的慢阴离子通道蛋白还能作为“硝酸盐感受器”,通过测量硝酸盐含量来获知光合作用效率。也就是说,谷物可通过脱落酸和硝酸盐含量综合感知自身缺水程度及光合作用效率,避免“渴死”或“饿死”。

研究人员说,他们打算将谷物的“硝酸盐感受器”移至模式植物拟南芥中,探索其他草本植物能否受益于这一机制。如果效果不错,还可考虑用这种方法使土豆、西红柿和油菜等作物更耐干旱等不利环境。

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