農(nóng)學(xué)院張國(guó)平教授團(tuán)隊(duì)在PNAS發(fā)文揭示植物耐旱和氣孔進(jìn)化新機(jī)理
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，但植物如何應(yīng)對(duì)干旱脅迫，仍是當(dāng)前農(nóng)業(yè)及植物科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。2019年2月25日，作物所張國(guó)平教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合澳大利亞、美國(guó)、英國(guó)、以色列、加拿大和德國(guó)的27位科研人員在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》發(fā)表了題為 “Evolution of Chloroplast Retrograde Signaling Facilitates Green Plant Adaptation to Land” 的研究論文，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(guò)渡的新理論，揭示了葉綠體逆行信號(hào)通路SAL1-PAP的起源和進(jìn)化是植物進(jìn)化的重要的組成部分。該發(fā)現(xiàn)加深了對(duì)植物耐旱性進(jìn)化及適應(yīng)氣候變化的理解，對(duì)作物耐旱育種和栽培提供了新思路。
應(yīng)對(duì)氣候條件變化而日益加重的干旱環(huán)境下進(jìn)一步提高作物產(chǎn)量，是當(dāng)前及未來(lái)農(nóng)業(yè)需要解決的重大問(wèn)題之一。植物不能逃逸干旱環(huán)境，因此在長(zhǎng)期的自然選擇條件下逐漸進(jìn)化形成了一系列適應(yīng)性生存策略。關(guān)閉氣孔并利用蠟質(zhì)結(jié)構(gòu)保存葉片中的水分是植物抵御短期干旱的基本策略，但對(duì)長(zhǎng)期干旱的脅迫，植物的主要生存策略則是將水和養(yǎng)分從葉子和莖中轉(zhuǎn)移到種子和芽中，作為干旱后新的生長(zhǎng)做儲(chǔ)備。葉綠體逆行信號(hào)網(wǎng)絡(luò)是協(xié)調(diào)植物監(jiān)測(cè)和響應(yīng)干旱的預(yù)警系統(tǒng)之一，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(hào)蛋白以激活防御措施。
該研究小組分析了已發(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(hào)等相關(guān)的蛋白家族，驗(yàn)證了它們的進(jìn)化過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，陸生植物與其祖先的近親淡水鏈型綠藻（輪藻和鏈絲藻）具有相近的能夠使植物迅速應(yīng)對(duì)干旱脅迫的遺傳特征，并發(fā)現(xiàn)了一種起源于鏈型綠藻的分子信號(hào)傳導(dǎo)和保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)進(jìn)化并保留在陸生植物中，使之能適應(yīng)干旱的生長(zhǎng)環(huán)境。該項(xiàng)研究表明，植物干旱防御的逆行信號(hào)通路首先出現(xiàn)于鏈型綠藻中，后來(lái)被陸生植物保留以應(yīng)對(duì)陸地生長(zhǎng)環(huán)境。大多數(shù)陸生植物，例如地錢、苔蘚、蕨類、農(nóng)作物和其它開(kāi)花植物都存在相似的逆行信號(hào)通路，而且該信號(hào)通路對(duì)陸生植物氣孔關(guān)閉的調(diào)控亦非常保守。通過(guò)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。 ?
該論文浙江大學(xué)為第一署名單位，趙晨晨博士和王媛媛博士研究生為共同第一作者，陳仲華教授為主要通訊作者。該研究受國(guó)家自然科學(xué)基金、澳大利亞研究理事會(huì)和英國(guó)生物技術(shù)與生物科學(xué)研究理事會(huì)等多家單位的資助。論文受到了廣泛的關(guān)注，先后被美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）旗下www.Eurekalert.org網(wǎng)站， www.phys.org和www.scienmag.com等國(guó)外科學(xué)媒體網(wǎng)站報(bào)道。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/02/19/1812092116
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