触及植物生存的根本

时间:2020-02-03 18:15 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

触及植物生存的根本

面对多变的气候,大自然会寻找生存之道。对于植物来说,这通常意味着要把新根扎得更深、更宽,以寻找水源,特别是在干旱时期。虽然几十年来科学家们已经认识到根的出现过程,但细胞间的交流是如何推动这一现象的,以前是未知的。

如今,特拉华大学(University of Delaware)植物分子和细胞生物学教授李正元(Jung-Youn Lee),以及特拉华大学校友、前研究生罗斯·塞格(Ross Sager),已经发现了调节根发芽过程的激素和蛋白质。

他们的研究小组的第一项此类研究最近发表在《自然通讯》杂志上。

工厂沟通

胞间连丝是植物体内的主要通讯途径,从根到芽,几乎每一个细胞都有胞间连丝传递信息。通常,每个细胞都接收到新的信息,这种细胞间的交流对植物的生存至关重要。

“想象一堵砖墙,那就是树根的表面。每块砖都是一个独立的单元。与它们结合的是细胞壁。然而,与砖墙不同的是,植物细胞也被称为胞间连丝的类似细线的纳米隧道连接起来,细胞通过它传递各种信号和信息来共享。很明显,当通道关闭时,没有任何信号会被传输,使得细胞无法从它们的邻居那里得到任何信息。”

当侧根或次生根需要从初生根长出时,在初生根正上方的细胞必须相互分离才能腾出空间。要做到这一点,连接那些即将分裂的细胞的胞间连丝必须关闭,以便新根以正常速度出现。如果连丝体保持开放,新根出现的速度会更快,这可能会损害根的活力或免疫力,使植物容易受到各种土壤病原体的威胁。

根出现监管

在研究拟南芥幼苗中pdlp5(一种与胞间连丝相关的蛋白)的表达模式时,Sager发现了一个意想不到的模式。仔细检查发现,这种模式涉及细胞覆盖的新兴侧根。

“我设计了这个特别的实验来研究幼苗叶片中PDLP5的表达,”Sager说,“但当我注意到根中的这种模式并把它展示给Lee博士时,我们一致认为这是一种独特的胞质间质蛋白,值得进一步研究。”

触及植物生存的根本

追求这一有趣的模式使Sager和Lee发现了一个关键的反馈回路,它似乎允许小的细胞亚群通过PDLP5调节它们的间连丝连接,允许它们在侧根发育和出现时独立于植物的其他部分运作。

生长素是一种促进侧根组织形成的激素,当它向植物细胞发出信号,表明新的根即将形成并出现时,它还会告诉那些直接覆盖在新形成的根上的细胞开始产生PDLP5。当这种蛋白质积累时,Sager和Lee假设它关闭了胞间连丝连接,确保这些覆盖的细胞层在分离和侧根通过时能够自主操作。当这个过程完成时,这项研究表明PDLP5会发送一个抑制生长素的返回信号。当新的侧根完全出现后,覆盖的细胞重新打开间连丝连接,有效地重新连接到植物的沟通通路。

Sager说:“虽然我们的研究表明,这些细胞的胞间连丝对侧根的出现很重要,但我们实际上还不知道为什么。”“它会改变关键信号元件的运动吗?”防止土壤中的有害因子进入细胞?我期待着其他科学家利用我们的论文作为跳板来回答这些问题。”

气候变化带来的机遇

Lee认为,这种信号机制和反馈回路可能为植物和作物工程的突破性进展铺平道路。

“了解控制侧根出现的各个部分,包括顺序和时间,为我们提供了很多机会,”Lee说。“当发生干旱时,植物和农作物会死亡,因为它们不能迅速有效地找到水。它们在干旱中生存的机制之一就是更多地扎根。有了这个控制侧根的交流回路的发现,我们可能最终能够控制一株植物何时以及多少根可以生长。”

农作物常常能适应其生长的环境。但是,随着气候变化继续使模式更加不稳定,如延长旱季,植物适应性将对农业生产和生态系统生存至关重要。根可能需要以不同的速度或不同的时间生长。李博士指出,目前还没有利用转基因技术使作物发芽生根的信息,但明确地确定根系是如何形成的是重要的第一步。

探索植物在分子和细胞水平上的交流仍然是Lee在特拉华生物技术研究所实验室的主要关注点。根据这项研究和先前关于细胞通讯的研究,Lee和她的团队现在正在进一步探索PDLP5和类似的蛋白质。

他说:“PDLP5是我们的幸运。“这种蛋白质为我们和新来者开辟了许多新的探索途径。它也成为连接我们和伟大的研究合作者的神奇桥梁,包括诺丁汉大学的马尔科姆·班尼特博士,世界上在根分枝方面的领先专家。”

“下一个是什么?”李接着说。“我们目前正在与UD的计算科学与工程的廖力博士进行跨学科研究,以发现PDLP5及其家族成员如何发现并固定在由国家科学基金会慷慨资助的胞间连丝上。”我们已经对PDLP5所引领的道路感到惊讶。”

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