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Science:植物季節性生長全靠“體溫計”

日期:2016-10-28 08:55:43

 最近,由劍橋大學領導的一個國際科學家小組,發現了一種“溫度計”分子,可使植物能夠根據季節性的溫度變化來生長。

 

研究人員發現,稱為光敏色素的分子——植物利用它在白天探測光,在黑暗中實際上改變了它們的功能,變成為細胞溫度計來測量夜晚的溫度。這項新的研究結果,發表在1027日的《Science》雜志上,表明光敏色素控制著響應溫度以及光的遺傳開關,來指示植物的發育。

 

科學家說,在夜間,這些分子會改變狀態,并且它們改變的速度,是與“溫度”成正比的,他們將光敏色素比作溫度計中的水銀。天氣越熱,這種分子變化的速度就越快,植物生長的速度也就越快。

 

數百年來,農民和園丁們已經知道,植物如何響應溫度:溫暖的冬天可導致許多樹木和花卉早發芽,一些人很早就用來預測來年的天氣和收獲時間。

 

這項最新的研究首次指出了植物響應溫度的分子機制。研究人員說,由于氣候的變化,天氣和溫度變得更加不可預測,因此,發現這種光感應分子兼作為植物細胞內的溫度計,可以幫助我們培育出更堅強的作物品種。

 

據估計,到2050年農業產量將需要翻倍,但氣候變化是這個目標的主要威脅。劍橋大學Sainsbury實驗室的研究人員Philip Wigge說:“主要作物(如小麥和水稻)對高溫敏感。每升高一攝氏度,熱應力可使作物產量降低10%。發現讓植物探測到溫度的分子,有可能加速作物的育種,使它們對熱應激和氣候變化具有靈活的應變能力。”

 

在它們活躍的狀態中,光敏色素分子可將自己與DNA結合,限制植物的生長。白天,陽光可激活分子,從而減緩生長。如果植物發現自身處于陰影當中,光敏色素就迅速失活,從而使它更快速地生長,以再次找到陽光。這就是植物如何競相逃避彼此的陰影。Wigge說:“光驅動的光敏色素變化發生的很快,不到一秒鐘的時間。”

 

然而,在晚上,又是一種不同的情況。日落后這個分子不是快速失活,而是逐漸從它們的活躍狀態轉換到不活躍狀態。這被稱為“暗逆轉”。Wigge說:“就像溫度計中的水銀上升,光敏色素在晚上恢復到靜止狀態的速度,是溫度的一個直接測度。”

 

“溫度越低,光敏色素恢復到不活躍狀態的速度就越慢,所以分子花費更多的時間在它們的活躍的、抑制生長的狀態。這就是為什么植物在冬天生長的比較慢。溫暖的溫度可加速暗逆轉,從而使光敏色素迅速達到一個不活躍狀態,并使自己脫離DNA,從而使基因被表達,植物生長恢復。”

 

Wigge認為,光敏色素熱感應是在后一階段發生演變,并在夜晚的停工期“插足”早已用于基于光的生長的生物網絡。一些植物主要利用日長作為季節的一個指標。其他物種,如水仙花,有相當大的溫度敏感性,在溫暖的冬天可以提前一個月開花。

 

事實上,“光敏色素的雙重作用”這一發現,對于一個長久以來用于預測季節的著名規律提供了其背后的科學依據,這個規律是:如果梣樹的樹葉比橡樹先發芽,那夏天雨水會很多,如果橡樹先發芽,那夏天雨水將很少。

 

Wigge解釋說:“橡樹比較多地依靠溫度,可能用光敏色素作為溫度計來決定發育,而梣樹依靠測量一天的日長,來確定它們的季節性時間。因此,如果春天較溫暖,更有可能有一個炎熱的夏天,將導致在橡樹發芽的時間比梣樹早。如果春天比較寒冷,情況則相反。由于英國人知道的太清楚了,比較涼爽夏天很可能就是一個雨水浸泡的夏天。”

 

這一新發現是十二年來研究的成果,包括來自德國、阿根廷和美國的科學家以及劍橋大學的科學小組。這項工作是在模式植物擬南芥中完成的,但Wigge說,溫度傳感所必要的光敏色素基因,也在作物中被發現過。

 

Wigge說:“現在,在植物遺傳學領域的進展意味著,科學家能夠迅速識別控制作物這些過程的基因,甚至使用的精確分子‘刀’改變它們的活性。劍橋大學是非常適合進行這種研究,因為我們附近有杰出的合作者,致力于植物生物學更具應用性的方面,并可以幫助我們把這一新的知識轉化到田間。”

 


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