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他們“沉默”10年,攻克35年未解難題
發(fā)表時(shí)間:2024-08-02 來(lái)源:中國(guó)科學(xué)報(bào)

 

  研究成果登上《自然》后的兩個(gè)月里,遠(yuǎn)方越來(lái)越忙了。除了開(kāi)展日常研究外,她還繼續(xù)和相關(guān)科研機(jī)構(gòu)深入交流,以期將研究成果應(yīng)用在更多領(lǐng)域。

  這是遠(yuǎn)方歷經(jīng)10年取得的重要成果。這10年里,遠(yuǎn)方團(tuán)隊(duì)雖沒(méi)有特別重磅的成果,但研究在不斷深入?!拔覀?cè)谂ν瞥鲂聳|西,只不過(guò)越深入難度越大,取得重大成果的周期也越長(zhǎng)?!?/p>

  低滲,即水分增多時(shí),植物細(xì)胞內(nèi)的鈣信號(hào)會(huì)增強(qiáng)。早在35年前,科學(xué)家就觀察到了這一現(xiàn)象,并推測(cè)這是由低滲透壓感受機(jī)制導(dǎo)致的,但始終不知道機(jī)制背后的鈣信號(hào)增強(qiáng)是“誰(shuí)干的”。

  中國(guó)工程院院士、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)教授鄒學(xué)??蒲袌F(tuán)隊(duì)的教授遠(yuǎn)方和劉峰課題組研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)水分增多時(shí),植物低滲感受器OSCA2.1和OSCA2.2會(huì)迅速感知外界豐富的水分,使胞質(zhì)內(nèi)鈣信號(hào)增強(qiáng),從而作出防御等反應(yīng),可以說(shuō),它們是植物周圍多水環(huán)境下鈣離子濃度增加的“開(kāi)關(guān)”。

 

  35年未解的“假設(shè)”之謎

  人之所以能看到東西、感知冷熱等,是因?yàn)轶w內(nèi)有光、溫度等的感受器。植物和人類一樣,其根、莖等部位也有諸多感受器,在感受外界環(huán)境變化并做出相應(yīng)調(diào)節(jié)的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

  

遠(yuǎn)方(右)和團(tuán)隊(duì)成員觀察實(shí)驗(yàn)植物生長(zhǎng)情況。王昊昊/攝

 

  隨著全球氣候變暖,缺水對(duì)植被和農(nóng)作物的影響會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。陸生植物是從水生祖先進(jìn)化而來(lái)的,它成功克服了缺水和水分波動(dòng)這兩個(gè)看似難以逾越的障礙,適應(yīng)了陸地環(huán)境。

  “動(dòng)物和植物體內(nèi)都有感受器,但強(qiáng)度不同,比如小麥有40多個(gè)感受干旱和多水的基因,而小狗等哺乳動(dòng)物只有幾個(gè)類似的基因?!边h(yuǎn)方說(shuō),這是它們的生存環(huán)境決定的,動(dòng)物能跑動(dòng),而植物是固定在一處生長(zhǎng)的。

  高等植物通過(guò)阻止脫水和過(guò)渡吸水的作用在陸地缺水和水分波動(dòng)中生存。早在35年前,就有科學(xué)家將低滲透壓誘導(dǎo)的鈣信號(hào)增強(qiáng)推測(cè)為低滲透壓感受機(jī)制,但其分子基礎(chǔ)未知。

  “長(zhǎng)期以來(lái),業(yè)界一直假設(shè)細(xì)胞質(zhì)鈣離子濃度的增加是在再水合過(guò)程中感知低滲透壓的。通俗地說(shuō),植物周邊水分增多時(shí),其體內(nèi)的鈣離子濃度就會(huì)增加。但鈣信號(hào)為什么增強(qiáng)、是誰(shuí)干的,業(yè)界一直沒(méi)弄清楚?!边h(yuǎn)方表示。

  鈣離子是植物生長(zhǎng)發(fā)育和逆境響應(yīng)的核心調(diào)控因子。當(dāng)植物感受到外界環(huán)境變化時(shí),會(huì)產(chǎn)生鈣信號(hào),進(jìn)而激活下游相應(yīng)機(jī)制。

  “鈣信號(hào)是最上游、反應(yīng)最快的,它像通信兵一樣,向后傳遞前方‘戰(zhàn)況’后撤離,最快的鈣信號(hào)兩秒內(nèi)起始、3分鐘結(jié)束。我們想弄清楚環(huán)境變化后最上游發(fā)生了什么。上游的一個(gè)基因感受到鈣信號(hào)后可能影響下游幾十乃至上百個(gè)防御基因,進(jìn)而增強(qiáng)抗性,這對(duì)植物育種等研究來(lái)說(shuō)很關(guān)鍵?!边h(yuǎn)方說(shuō)。

 

  找到鈣離子濃度增加的“開(kāi)關(guān)”

  遠(yuǎn)方的植物鈣信號(hào)研究,是師從美國(guó)杜克大學(xué)教授裴真明從事博士后研究時(shí)開(kāi)始的。

  與所有生物體一樣,陸生植物必須監(jiān)測(cè)其環(huán)境中可利用水的多少來(lái)調(diào)控生長(zhǎng)和發(fā)育。對(duì)植物感受器開(kāi)展深入研究,不僅能真正了解植物對(duì)水分等的需求,還能借助感受器在育種方面取得新突破。

  “植物體內(nèi)原本是有很多感受器的,它自身能很好地應(yīng)用,但我們不知道其原理,更沒(méi)法利用它改良作物以提高抗性等。如果發(fā)現(xiàn)了這些植物感受器,就能在植物處于逆境下的關(guān)鍵生命周期對(duì)其進(jìn)行改造,這很有應(yīng)用前景?!边@是遠(yuǎn)方開(kāi)展植物感受器研究的重要原因。

  在最新研究中,遠(yuǎn)方等人研究發(fā)現(xiàn)了植物多水感受器,闡明了滲透感受器依賴的花粉萌發(fā)過(guò)程中鈣震蕩的調(diào)控機(jī)制。

  “我們終于搞清楚植物在多水環(huán)境下為什么鈣離子濃度會(huì)增加了?!边h(yuǎn)方表示,關(guān)鍵是找到了兩個(gè)基因,它們能夠感受多水環(huán)境,是植物周圍多水環(huán)境下鈣離子濃度增加的“開(kāi)關(guān)”。

  她解釋說(shuō),高溫、低溫、干旱等外界環(huán)境就像第一信使,當(dāng)OSCA2.1和OSCA2.2感受到外界的多水環(huán)境后,會(huì)立即將第一信使傳遞到植物細(xì)胞中。這個(gè)信號(hào)就像第二信使,細(xì)胞識(shí)別到第二信使后會(huì)立即將第一信使的信息傳導(dǎo)到細(xì)胞下游影響其基因表達(dá),告訴它們“該干活了”。

 

  聰明的植物在逆境中出品質(zhì)

  第二信使“拿到”第一信使的“信件”后,具體作何反應(yīng)?

  團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn),很多鈣信號(hào)往往會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)消失?!皬耐饨绛h(huán)境變化到第二信使接收到這一變化信息,最快的僅兩秒鐘?!边h(yuǎn)方說(shuō)。

  為什么信使不多待會(huì)兒,給下游基因更多反應(yīng)時(shí)間?遠(yuǎn)方表示,植物里的不同基因各司其職,鈣信號(hào)將信息傳遞后就回去“睡大覺(jué)”了,但這并不是因?yàn)樗鼞卸?,而是其生存需要所決定的。如果鈣信號(hào)傳遞信息后不返回,會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的鈣離子濃度太高進(jìn)而產(chǎn)生毒性,不撤離就是自殺行為。

  遠(yuǎn)方舉了一個(gè)種子萌發(fā)的例子。種子萌發(fā)時(shí),溫度、水分、地點(diǎn)等因素一定要適宜,這是種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素。開(kāi)弓沒(méi)有回頭箭,一旦種子萌發(fā)就要活下去,否則沒(méi)法繁殖下一代。這要求種子首先能感受到外界的溫度和水分環(huán)境,萌發(fā)后根據(jù)外界環(huán)境的變化調(diào)整自身對(duì)水分等的需求。

  如果持續(xù)干旱,植物會(huì)調(diào)高自身細(xì)胞的滲透壓,降低對(duì)水的需求,同時(shí)在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)制造一些多糖、離子等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),加強(qiáng)自身保水能力。

  “逆境出品質(zhì)?!边h(yuǎn)方說(shuō),為什么干旱時(shí)水果往往會(huì)更甜,因?yàn)樗阪i水過(guò)程中不斷產(chǎn)生多糖、離子、氨基酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。而當(dāng)夏季多雨時(shí),水會(huì)不斷滲入植物,此時(shí)它需要不斷將體內(nèi)的多糖、離子、氨基酸排出細(xì)胞外,否則細(xì)胞會(huì)不斷膨大至破裂。這也解釋了為什么夏天多雨時(shí)香瓜、甜瓜會(huì)裂開(kāi)??傊?,當(dāng)外界環(huán)境超過(guò)一定極限,植物內(nèi)部調(diào)控系統(tǒng)往往會(huì)崩潰。

  “生物實(shí)在是太聰明了?!彪S著對(duì)植物鈣信號(hào)研究的深入,遠(yuǎn)方感受到生物的強(qiáng)大。

 

  以“挖礦精神”持續(xù)鉆研小領(lǐng)域

  為什么鉆研一項(xiàng)35年都沒(méi)有答案的科學(xué)難題?遠(yuǎn)方認(rèn)為是團(tuán)隊(duì)的“挖礦精神”在支撐。

  她認(rèn)為,科學(xué)研究就像挖礦,挖到最好的“原礦”固然重要,而更關(guān)鍵的是將“原礦”打磨成最漂亮的“寶石”,也就是發(fā)現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象背后的機(jī)理和關(guān)鍵作用。

  這些年來(lái),遠(yuǎn)方所在團(tuán)隊(duì)一直在默默無(wú)聞地研究影響鈣信號(hào)的植物感受器?!爸参锔惺芷魇且粋€(gè)很寬泛的概念,但我們從一開(kāi)始就聚焦影響鈣信號(hào)的植物感受器這一小領(lǐng)域,因?yàn)槲沂冀K認(rèn)為上游的感受器是牽一發(fā)而動(dòng)全身的,弄清其原理對(duì)生物育種等研究更為關(guān)鍵?!边h(yuǎn)方表示。

  “展望未來(lái),我們構(gòu)思將系列研究成果和園藝,以及水果和農(nóng)作物結(jié)合起來(lái),針對(duì)不同植物摸清對(duì)應(yīng)的干旱、多水等的感應(yīng)機(jī)制?!边h(yuǎn)方表示,“這些研究的戰(zhàn)線只會(huì)更長(zhǎng),即使我們這一代人沒(méi)法享受到研究成果,我們?nèi)詴?huì)踏踏實(shí)實(shí)潛心做研究,讓這些科學(xué)構(gòu)想盡快實(shí)現(xiàn)?!保ㄖ袊?guó)科學(xué)報(bào)記者 王昊昊)

網(wǎng)站編輯:白夢(mèng)潔
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