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Science解析植物缺水的分子机制
发表日期: 2016-12-13 作者: Song Liang等 文章来源:Science
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  我们都知道,当植物缺水时,它们的叶子会枯萎,它们开始看起来干干的。但是在分子水平上发生了什么呢? 

  最近,美国索尔克研究所的科学家们,在这个问题的答案上实现了重大飞跃,这对于帮助农作物适应干旱及其他气候相关压力源,是至关重要的。 

  最新的研究表明,在面对环境困境时,植物会使用一小组蛋白质作为“指挥员”,来管理它们对压力的复杂响应。这些结果发表在114日的《Science》杂志,可能有助于开发新的技术,来优化植物中的水分利用。 

  本文资深作者、霍华德休斯医学研究所研究员、索尔克研究所基因组分析实验室主任Joseph Ecker教授指出:“在分子水平上,植物对一个压力源的反应,是一个非常复杂的过程,涉及到数百个基因。我们现在发现了这一分子事件中的关键指挥者,这可能为帮助植物更好地耐受压力提供了线索,例如面临气候变化的干旱。如果你能控制这些导体中的一个,你就能控制所有它引导的基因。” 

  植物如何很好地应对压力,可能取决于它是生存并茁壮成长,还是屈服于胁迫。正如同人类有肾上腺素这样的激素,帮助我们应对威胁,植物也有一些关键的激素,让它们在其生存的环境中应对压力。其中一种激素是脱落酸(ABA),这种植物激素参与种子发育和水分优化。 

  当水分稀缺或盐度高的时候,根和叶会产生ABA。虽然激素被理解为可影响植物的应激反应,但是科学家们对于“它被释放后总体水平发生了什么事情”还知之甚少。 

  本文第一作者、索尔克研究所植物生物学实验室的Liang Song指出:“只有几十个调节蛋白决定着数百乃至数千个基因的表达。通过了解这些主调节因子是什么,以及它们如何起作用,我们可以更好地理解并潜在地调节应激反应。” 

  在他们的研究中,索尔克研究所的科学家们实时跟踪了植物响应ABA的基因活动变化,并识别了这些主蛋白(控制着对一系列外部压力——包括干旱——的响应)中的少量蛋白。该研究团队使用一种技术,映射出这些调节蛋白与DNA结合的位置,定义了协调基因表达的关键因子,从而允许对正在改变的条件产生一个有效的细胞反应。 

  Salk团队专注于已知响应ABA的候选调节蛋白。他们将参考植物拟南芥的3日龄幼苗暴露于脱落酸,并在固定的时间点上检查基因表达,总共超过60个小时。 

  在这个过程中,他们收集了122个数据集,涉及33602个基因,其中3061个基因是在至少一个时间点中不同水平上表达的。数据的分析显示了一个层次结构的控制,一些调控蛋白被列为基因表达最重要的贡献者。有趣的是,在一个特定的时间点上蛋白结合模式的快照,可以在很大程度上解释“大的时间跨度上的基因表达”。总之,这些动态显示出,对环境触发因子有一个协调的全基因组响应。 

  Song说:“有了这个网络视图,我们可以看到,这些组件中的一些,是由相同的主调节蛋白靶定的,这表明精确和协调的遗传控制。这对于农业用途可能是重要的,因为调节一个基因反过来可能会刺激或抑制另一组基因,从而让我们全面的设计干预措施。 

  这些结果反映了2013Ecker实验室对植物激素乙烯的研究,表明这种协调的和递阶的遗传活性控制,可能在开花植物中是很常见的。(来源:生物通 王英) 

    

  A transcription factor hierarchy defines an environmental stress response network 

    

  Abstract  Environmental stresses are universally encountered by microbes, plants, and animals. Yet systematic studies of stress-responsive transcription factor (TF) networks in multicellular organisms have been limited. The phytohormone abscisic acid (ABA) influences the expression of thousands of genes, allowing us to characterize complex stress-responsive regulatory networks. Using chromatin immunoprecipitation sequencing, we identified genome-wide targets of 21 ABA-related TFs to construct a comprehensive regulatory network in Arabidopsis thaliana. Determinants of dynamic TF binding and a hierarchy among TFs were defined, illuminating the relationship between differential gene expression patterns and ABA pathway feedback regulation. By extrapolating regulatory characteristics of observed canonical ABA pathway components, we identified a new family of transcriptional regulators modulating ABA and salt responsiveness and demonstrated their utility to modulate plant resilience to osmotic stress. 

    

  原文链接:http://science.sciencemag.org/content/354/6312/aag1550.full 


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