農(nóng)學(xué)院張國平教授團隊在PNAS發(fā)文揭示植物耐旱和氣孔進化新機理
植物從水生到陸生的跨越是地球生命進化中重要的里程碑之一，但植物如何應(yīng)對干旱脅迫，仍是當(dāng)前農(nóng)業(yè)及植物科學(xué)的一個研究熱點。2019年2月25日，作物所張國平教授團隊聯(lián)合澳大利亞、美國、英國、以色列、加拿大和德國的27位科研人員在《美國國家科學(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，揭示了葉綠體逆行信號通路SAL1-PAP的起源和進化是植物進化的重要的組成部分。該發(fā)現(xiàn)加深了對植物耐旱性進化及適應(yīng)氣候變化的理解，對作物耐旱育種和栽培提供了新思路。
應(yīng)對氣候條件變化而日益加重的干旱環(huán)境下進一步提高作物產(chǎn)量，是當(dāng)前及未來農(nóng)業(yè)需要解決的重大問題之一。植物不能逃逸干旱環(huán)境，因此在長期的自然選擇條件下逐漸進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，但對長期干旱的脅迫，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做儲備。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，當(dāng)植物感應(yīng)到干旱時，該網(wǎng)絡(luò)能調(diào)控逆行信號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個與葉綠體逆行信號等相關(guān)的蛋白家族，驗證了它們的進化過程。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傳導(dǎo)和保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)進化并保留在陸生植物中，使之能適應(yīng)干旱的生長環(huán)境。該項研究表明，植物干旱防御的逆行信號通路首先出現(xiàn)于鏈型綠藻中，后來被陸生植物保留以應(yīng)對陸地生長環(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。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。 ?
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。論文受到了廣泛的關(guān)注，先后被美國科學(xué)促進會（AAAS）旗下www.Eurekalert.org網(wǎng)站， www.phys.org和www.scienmag.com等國外科學(xué)媒體網(wǎng)站報道。
原文鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2019/02/19/1812092116
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