在两份出版物中,乌得勒支生物学家和国际同事描述了植物适应温暖的过程。 这些发现为植物在次优高温下如何发挥最佳功能提供了见解。 它还可以为控制植物的生长并使它们更能抵抗全球变暖提供垫脚石。 研究人员在《植物杂志》和《自然通讯》上发表了他们的研究结果。
沙漠中的北极熊
然而,许多植物物种已经开发出应对更高温度的方法。 “与动物不同,许多植物可以根据温暖和其他环境因素调整自己的体型,”乌得勒支大学附属研究员 Martijn van Zanten 说,他为这两本出版物做出了贡献。 “动物是一个完全不同的故事。 简单地说,如果你把北极熊放在沙漠里,它看起来仍然像一只披着厚厚毛皮的北极熊。 但是如果植物在温暖的条件下生长,它会相应地调整其体型。 通过这种方式,工厂试图在这些不太有利的条件下以最佳方式运行。”
从紧凑型到开放式植物形式
许多植物物种可以调整其茎叶的形状,使它们更耐高温。 对于被许多植物生物学家视为他们最喜欢的植物模型的拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 也是如此。 在寒冷的条件下,这些植物紧凑,叶子靠近地面。 当温度升高时,它们会采取更开放的姿势。 例如,叶子变得更加直立。 这大大减少了来自太阳的直接辐射。 此外,叶柄会伸展,让更多的风通过叶子并散发热量。
想要和不想要的拉伸
然而,在作物和(切)花中,这种拉伸通常是不需要的。 种植者希望控制这些变化,因为拉伸会影响产品质量。 “但与此同时,为了使作物更能抵御气候变化导致的高温,必须进行适应。 这是长期维持生产所必需的,”Van Zanten 说。
使植物更耐气候
“许多栽培作物已经失去了对高温做出良好反应的能力,”Van Zanten 说。 “在各种作物中,它在驯化和育种过程中消失了,因为育种者主要关注其他性状。”
随着气候变化推高气温,Van Zanten 说越来越需要让植物更耐气候。 “这需要了解植物如何应对更高的温度。 它们如何将接收到的温度信号转化为生长适应性? 研究植物适应次优温度的分子机制,为通过育种调整作物结构提供了工具。”
分子机制开启热态
不再适应更高温度的水芹植物在暴露于某些化学物质时可以重新获得这种能力。 这是由 Van Zanten 领导的国际研究小组发现的。 该团队在一个不再适应高温的 thale 水芹突变体上测试了大量物质。 他们发现了一种分子,即使在低温下,它也可以“开启”幼苗对高温的适应。
研究人员称这种化合物为“Heatin”。 通过对分子进行化学修饰,然后研究哪些蛋白质可以与加热结合,他们发现了一组称为腈水解酶的蛋白质。 已知已识别的亚群仅出现在卷心菜和相关物种中,包括对白菜。
生物学家与一家植物育种公司一起发现,卷心菜物种确实对加热有反应。 他们还发现腈水解酶是适应高温所必需的,这可能是因为它们能够产生众所周知的生长激素生长素。 研究人员在《植物杂志》上发表了这一发现。
高温适应新途径
Heatin 结果的发表与今天发表在 Nature Communications 上的另一篇论文同时发表。 该研究由比利时 VIB 研究所的科学家领导,Van Zanten 也参与其中。 该团队发现了一种以前未描述的蛋白质,可以调节植物适应温暖环境的方式。 该蛋白质被命名为 MAP4K4/TOT3,其中 TOT 表示温度目标。
值得注意的是,TOT3 驱动的过程在很大程度上独立于生物学家迄今为止与植物温暖适应相关的所有其他信号通路。 此外,TOT3 的适应性似乎并不取决于照射在植物上的光的数量和组成。
Van Zanten:“植物适应不断变化的光成分和高温的分子机制有很多重叠。 有了 TOT3,我们现在有了一个可以在高温下控制生长的因素,而不会干扰植物处理光的方式。”
广泛的应用
“更有趣的是,”Van Zanten 说,“TOT3 在高温下的水芹和小麦的生长适应中发挥着相似的作用。 这两个物种在基因上彼此完全分离。 因此,这为广泛的应用提供了巨大的潜力。”
生长抑制剂的替代品
最终,TOT3 的发现和腈水解酶的作用可以帮助继续种植足够的作物,即使温度因气候变化而上升。 这些发现还为开发现在常用于抑制植物生长的化学品的替代品提供了机会。 例如,Van Zanten 提到了切花,它对温度波动的反应非常强烈。 因此,在花卉栽培中,许多生长抑制剂用于保持植物美观和紧凑。
“例如,当您购买郁金香时,它们的茎仍然很短,”Van Zanten 说。 “但是在你家几天后,它们开始挂在花瓶的边缘。 较高的室内温度导致植物伸展,最终导致它们跛行和弯曲。 我们希望新知识将有助于选择在高温下伸展较少的新花卉品种。 通过这种方式,我们可以减少有害生长抑制剂的使用。”
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乌得勒支大学
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