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《昆明植物所在植物适应青藏高原强紫外辐射的分子机制研究中取得新进展》

  • 来源专题：生物育种
  • 编译者： 季雪婧
  • 发布时间：2024-04-26

  •     青藏高原的平均海拔超过了4000米，是全世界海拔最高、面积最大的高原，强烈的紫外辐射是高原环境的典型特征之一，但植物适应UV-B辐射的分子机制仍需要进一步解析。低剂量的UV-B辐射是一种环境信号，植物的紫外受体UVR8蛋白感受并起始UV-B诱导的植物光形态建成进而调控植物发育；强UV-B会破坏DNA，引发活性氧积累并对植物造成损伤。蔓菁（Brassica rapa?var.?rapa）是青藏高原及其周边高海拔地区传统种植的十字花科作物，中国科学院昆明植物研究所青藏高原植物进化与适应专题组已经成功建立了蔓菁基因原位杂交技术（相关链接）和基因编辑体系（相关链接），并获得了高质量基因组（相关链接），使蔓菁成为研究植物如何适应青藏高原极端环境的理想材料。

        专题组在拉萨利用同质园实验比较了两个地方品种（KTRG-B48a和KTRG-B48b）的高原适应性，发现KTRG-B48b的块根鲜重和花青素含量均显著高于KTRG-B48a（图1）。室内UV-B处理后，两个品种差异表达基因的表达模式明显不同，其中KTRG-B48b的花青素生物合成途径相关基因被快速激活。花青素具有清除活性氧的能力，通过比较UV-B处理后两个地方品种的活性氧含量，发现KTRG-B48b的过氧化氢和超氧化物的含量显著低于KTRG-B48a。进一步分析发现UV-B处理后KTRG-B48b的茉莉酸含量高于KTRG-B48a，表明茉莉酸同样能提高植物对UV-B辐射的耐受性（图2），然而UV-B如何激活茉莉酸合成仍不明确。专题组利用生物化学与分子生物学技术并结合遗传学分析，发现二聚体的UVR8蛋白被UV-B激活后形成单体进入细胞核直接结合TCP4，增强了TCP4结合茉莉酸合成关键基因LOX2启动子的能力并促进了LOX2表达，进而提高了茉莉酸含量并进一步激活了花青素合成通路（图3），最终增强了植物对UV-B辐射的耐受性。

        以上结果为理解植物如何适应青藏高原强紫外辐射提供了新的理论参考，并以Comparative transcriptome analysis reveals the complex molecular mechanisms underlying UltravioletB tolerance in?Brassica rapa?var.?rapa为题在线发表在Journal of Plant Growth Regulation和以UVR8-TCP4-LOX2 module regulates UV-B tolerance in Arabidopsis为题在线发表在Journal of Integrative Plant Biology。

  • 原文来源：https://www.ebiotrade.com/newsf/2024-4/20240411065432011.htm
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相关报告

  • 《昆明植物所在植物花粉的UV-B辐射耐受研究方面取得重要进展》
    • 来源专题：生物育种
    • 编译者：季雪婧
    • 发布时间：2024-01-24
    •  植物在生活史的各个阶段都会面临各种环境胁迫因子，而耐受或适应环境胁迫的能力决定了它们的分布与丰富度。众多环境胁迫因子中，紫外辐射(UV-B)是影响植物生长与繁殖的关键因素。在全球变化（大气组成改变、物种迁移等）背景下，植物面临的UV-B辐射会进一步增强。因此，植物耐受UV-B辐射的能力与适应机制受到进化生物学家和保护生物学家的普遍关注。尽管繁殖阶段是植物生活史中最敏感时期，但是，以往针对植物适应UV-B辐射的研究主要集中在营养器官（叶片），很少有研究探讨繁殖器官的响应机制，特别是经常暴露在阳光中的花粉。   中国科学院昆明植物研究所泛第三极植物多样性形成及创新驱动专题组通过对77种植物的花粉萌发、花粉管生长以及性状进行调查的基础上，探讨了花粉萌发和花粉管生长的UV-B耐受能力及其影响机制。  在调查的77种植物中，UV-B辐射对大部分物种的花粉萌发（90.9%）和花粉管生长（84.2%）具有显著的抑制作用。系统发育分析显示，花粉萌发和花粉管的UV-B辐射敏感性具有较强的系统发育信号，即：亲缘关系相近的植物具有相似的耐受能力。随着植物所处海拔的升高，花粉管生长对UV-B辐射的敏感性显著降低，表明高海拔的植物具有更高的耐受能力。此外，花粉活力对UV-B辐射的耐受能力受到多种生物和非生物因素的影响，如风媒植物和野生植物比虫媒植物和栽培型植物具有更强的耐受能力；而低温或干旱环境的植物比高温或多雨环境的植物具有更强的耐受力。在所有的影响因素中，UV-B辐射强度和持续时间对花粉萌发和花粉管生长的影响具有最高的解释力。因此，花粉对UV-B辐射的耐受能力受植物所处环境和物种性状的共同影响，对我们理解全球变化背景下UV-B辐射改变对群落物种组成和农业生产的影响具有重要意义。   研究结果以Effects of UV-B radiation on pollen germination and tube growth: A global meta-analysis为题在线发表在环境科学与生态学领域TOP期刊Science of the Total Environment。中国科学院昆明植物研究所硕士研究生寸爽和河南师范大学张婵副教授为论文的共同第一作者，中国科学院昆明植物研究所孙航院士和宋波研究员为论文共同通讯作者。该研究得到中国科学院战略性先导专项、第二次青藏高原综合科学考察研究项目、国家自然科学基金面上项目等项目的资助。
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  • 《昆明植物所在附生植物的景天酸代谢多组学研究中取得新进展》
    • 来源专题：转基因生物新品种培育
    • 编译者：姜丽华
    • 发布时间：2023-02-25
    • 附生植物是热带、亚热带森林生态系统的重要组成部分，对其生物多样性和服务功能的形成与维持、特别是养分贮存和水分保持有重要作用。附生植物中存在C3和景天酸代谢（crassulacean acid metabolism，CAM）等光合类型，其中CAM也是植物高效利用水分的一种策略。兰科是种子植物中物种多样性和生态适应性最为丰富的类群之一，该科70%左右的物种为附生植物，其中附生型CAM植物占所有已知CAM植物的60%左右。在生理上，CAM植物通常表现为夜间气孔打开、固定二氧化碳（CO2），白天气孔关闭、在细胞内释放CO2，从而最大限度的减少蒸腾作用，维持植物水分含量。然而，我们对附生植物CAM光合作用的遗传和分子基础以及不同分子层级间协同调控机制的理解仍存在很大程度的未知。   2月21日，中国科学院昆明植物研究所种质资源库李德铢、朱安丹和杨俊波等团队合作在Plant Communications期刊上发表题为High-quality Cymbidium mannii genome and multifaceted regulation of crassulacean acid metabolism in epiphytes的研究论文。该研究通过解析兰科附生型CAM植物硬叶兰（Cymbidium mannii）的高质量基因组，结合高分辨率的转录组学、蛋白质组学和代谢组学数据，对附生植物CAM光合作用的遗传与分子调控机理进行了解析。   研究人员获得了硬叶兰高质量的基因组（contig N50为22.7 Mb），基因组大小为2.88 Gb（图1），其中82.8%为重复序列，这也是硬叶兰基因组较大的主要原因。重复序列中转座元件（TE）占比较大，其插入时间也与兰属物种的分化时间一致（图2），因此推测TE的爆发可能与兰属物种的快速分化有关。       研究表明，硬叶兰中很多代谢物呈现昼夜节律性振荡的变化模式，特别是CAM相关的代谢产物，如苹果酸、延胡索酸、丙酮酸等，呈现出与C3植物不同的昼夜特征，反映了附生CAM植物代谢物积累的昼夜节律性（图3）。        通过全基因组水平、昼夜多时间点的转录组和蛋白组分析发现，硬叶兰的昼夜节律性产物存在相位偏移（phase shift）的现象（图4），表明其光合代谢类型受到多层次的分子调控。CAM核心基因的表达及转录后调控分析不仅确定了固定碳源的重要候选基因（βCA和PPC），也表明了附生型的硬叶兰与地生型景天科植物伽蓝菜、白景天等类似，利用NADP-ME和PPDK途径进行脱羧反应（图5）。        由于生物钟相关基因和顺式调控元件在调节CAM通路中起着至关重要的作用，该研究还探讨了关键的生物钟基因表达模式并预测了可能的调控元件（图6），为后续更深入的功能验证奠定了基础。        中国科学院昆明植物研究所樊维姝博士和贺正山博士为共同第一作者，李德铢研究员、朱安丹研究员和杨俊波正高级工程师为共同通讯作者。昆明植物所张石宝研究员、种质资源库、种质保藏中心和分子生物学实验中心等也参与了本项目。该项目得到了中国科学院B类先导专项（XDB31000000）、云南省创新团队（202105AE160012）和国家科技基础资源调查专项（2021FY100200）等项目的资助。
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