《揭示植物组织再生机制可提高农作物种植效率》

  • 来源专题:农业科技前沿与政策咨询快报
  • 编译者: 李楠
  • 发布时间:2017-11-28
  • 人类和动物的缺陷组织或受损组织可通过干细胞再生得以修复,干细胞作为基本的未分化细胞,可分化成更具体的细胞类型并分裂出新的干细胞,以代替受损的组织细胞。植物的修复模式与此相近,只是它们的修复能力更强。尽管这一特点早在几百年前便被应用于嫁接和植物组织培养技术中,但植物损伤后细胞再生的整体机制依旧不明。

    比利时根特大学(Ghent University)VIB生命科学研究所利芬·德维尔德教授(Lieven De Veylder)带领的团队在植物中发现了一种调控组织修复能力的新型蛋白质络合物。当一个植物细胞死亡时,便会向周围细胞发出信号,激活这一蛋白质络合物,继而激发周围的细胞进行分裂,从而产生新细胞以代替死亡细胞。了解这一机制可提高农作物和可食植物的种植效率,以及其对寄生植物的抵抗力,这一发现具有重大的农业价值。这项科研成果现已发表在权威杂志《自然-植物》。

    德维尔德(De Veylder)教授表示:“许多植物及农作物并不具有快速的修复系统,例如,水稻、小麦、玉米、香蕉、洋葱等。若能完全了解这一修复系统,我们便有可能借此提高这类植物的培育效率。同时,葡萄种植和其它果树种植所采用的嫁接技术也可以得到完善,有助于降低嫁接失败概率。”事实上,1%的开花植物就是通过该研究所揭示的机制而繁育生长的移植物。此外,该研究成果也可能成为对抗寄生植物的一种新型生态策略。未来,科学家们或许可以阻断这些寄生生物的自然嫁接,并将其转化为具有高经济效益的作物。

    德维尔德教授表示:“我们的研究成果证实了科学利用进化机制的方式。毕竟,大自然已经逐渐形成了几乎可以解决所有生物问题的办法。之后,我们会探究这一研究成果是否可用于推断玉米等作物的细胞再生机制,并努力找出激活这类蛋白质络合物的信号物质。作为科学家,我们有责任全面了解这些生物进化机制,使其服务于农业生产等。”

    (编译 李楠)

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  • 《西班牙科学家揭示植物抵御真菌感染的关键机制》

    • 来源专题:农业科技前沿与政策咨询快报
    • 编译者:李楠
    • 发布时间:2017-11-28
    • 世界范围内,每年由于真菌感染产生的作物损失至少达1.25亿吨,包括水稻、小麦、玉米、大豆和马铃薯,这些粮食作物足够养活6亿人。真菌不仅在作物生长阶段、在农作物收割后的阶段,包括农产品存储期间、运输过程中或是在消费者手中等,都会带来大量损失。另外,一些真菌产生的霉菌有毒物可导致人类和动物患病、甚至死亡。农民使用真菌杀剂来防治真菌感染,但是不能保证100%有效,并且消费者需要的是不含杀虫剂的作物产品。 同人类相类似,植物也进化出防御机制来保护自身免受真菌侵袭。目前,西班牙农业基因研究中心(Centre for Research in Agricultural Genomics,CRAG)的一个团队发现了一个叫作“小型类泛素修饰蛋白调节机制(SUMOylation)”,通过调控植物中蛋白的活动从而保护植物免受真菌感染,研究结果已发表在专业期刊《分子植物》(Molecular Plant) 。该研究项目是由西班牙国家研究委员会(CSIC)研究员玛利亚·罗伊斯(Maria Lois)团队和玛利亚·可卡(María Coca)研究团队合作完成。玛利亚·罗伊斯(Maria Lois)是蛋白调节研究专家,玛利亚·可卡(María Coca)是植物真菌感染免疫反应研究专家。据玛利亚·罗伊斯解释,这一研究成果可用来开发作物防治新战略,保护农作物免受真菌感染。 小型类泛素修饰蛋白结合其他分子蛋白(SUMOylation),是诸多分子功能的一个关键过程。例如,动物的某些癌症、神经组织退化疾病就与SUMOylation缺陷有关。就植物而言,小型类泛素修饰蛋白与其他蛋白结合,能够调节植物生长以及植物自身对环境压力的反应。然而,科学家很难对SUMOylation的作用进行研究,因为完全阻滞该调节进程会在种子期造成植物死亡。为了克服这些问题,玛利亚·罗伊斯研究小组利用基因工程技术在植物中引入一个蛋白质小片段来部分阻滞SUMOylation,并且保证植物可正常生长。通过这一手段,研究人员发现,SUMOylation受到破坏的植物表现得更容易受死体营养型真菌的感染,如灰葡萄孢菌(Botrytis cinerea)和短小芽孢杆菌(Plectosphaerella cucumerina)。这两种真菌会造成植物死亡,然后以坏死的组织为食。灰葡萄孢菌是一种地域分布广泛的真菌,能感染各种植物。例如,这种真菌会致使酿酒用葡萄得贵腐病和灰霉病,影响葡萄酒质量。短小芽孢杆菌是一种重要的研究模型真菌,可感染诸如甜瓜之类的蔬菜作物。 另外,研究人员观察到,受真菌感染植物中的小型类泛素修饰蛋白很快减少了,表明作为致病机制的一部分,死体营养真菌能够使小型类泛素修饰蛋白减少。 玛利亚·罗伊斯研究团队设计的部分阻滞SUMOylation策略是整个研究项目的关键,科学家期望该策略能开展得更为深入。这一新方法能够帮助科研人员更好地了解受小型类泛素修饰蛋白调控的各种分子进程。更重要的是,这是一个很容易就能在重要的农作物上应用的工具,即便是那些基因很复杂的作物,如小麦。 小型类泛素修饰蛋白调节机制(SUMOylation)研究工作为开发更具针对性的真菌杀剂打开了新的突破口。实际上,玛利亚·罗伊斯已经开始将其在植物小型类泛素修饰蛋白研究中获取的知识应用于人类健康领域。这些研究活动获得了欧洲研究协会(ERC)和加泰隆尼亚政府(Government of Catalonia)的支持。 (编译 李楠)
  • 《美国科学家揭示作物抗旱的关键分子机制》

    • 来源专题:农业科技前沿与政策咨询快报
    • 编译者:李楠
    • 发布时间:2017-11-28
    • 气候变化会使旱灾频发,威胁农作物的生长。保护农作物的一种潜在方法是通过对作物喷洒某种化合物,来提高作物的抗旱性。目前,伊利诺伊大学(University of Illinois)的研究者们发现了一种使作物减少水分流失的关键分子机理 ,该发现为科学家找到合适的作物抗旱化合物奠定了基础。 面对干旱的气候条件,植物的自然抵御力会增强。它们会产生植物激素——脱落酸(ABA)附着在一种称之为PYL受体的蛋白质上,从而引发一系列反应,最终促使植物叶片上的气孔关闭。伊利诺伊大学(University of Illinois)的研究人员萨拉·沙卡拉(Saurabh Shukla)解释称:“这样一来,植物便可以减少甚至是完全不流失任何水分,从而可以保持水分,延长寿命。”其中最为关键的就是植物激素ABA,但由于ABA稳定性较弱且分子结构比较复杂,所以不能直接喷洒在农田里。不过,沙卡拉指出,“如果我们能够了解这种植物激素的工作机理,就可以设计出一些具备相同机理的分子为我们服务。”科学家如果能找到一种既具备相同机理,又廉价、稳定且环保的激素,那么农民就可以利用它提高农作物的抗旱性。 但是要弄清楚ABA的具体工作机理并非易事。诸如X射线衍射等实验室技术虽然能够记录下ABA附着到PYL受体前后的状态,但却无法捕捉到附着前后的瞬间。因此,沙卡拉和同事们通过使用分子动态模拟器,观察到了ABA是如何落在PYL受体的具体细节。模拟器一帧一帧地显示了ABA是在何处、以何种方式与蛋白质结合,使其改变形状,从而使序列当中的下一个蛋白质被激活,最终促使植物叶片上的气孔关闭的全过程。最后几帧中ABA落到受体上,这与X射线衍射技术所预测的晶体结构完全一致,再次验证了模拟器的准确性。2017年2月11日至15日,在新奥尔良举办的第61届生物物理学学会会议上(the 61st Meeting of the Biophysical Society),该项目的研究团队展示了这项成果。 研究者称他们只模拟了两种特定类型的PYL受体,均是在拟南芥(A. thaliana)中发现的。沙卡拉称,由于绝大多数物种的PYL受体的结构都比较相似,因此他们的研究成果具有广泛的适用性。对于已知晶体结构的PYL受体,它们同ABA结合的蛋白质部分相同,结合处周围的结构也相似,这样的相似性意味绝大多数植物中都有相同的结合机制。 沙卡拉指出,研究者们会继续在其他植物当中验证这种机制,例如,水稻的PYL受体结构是已知的,因此可以去探索水稻中类似ABA的激素。研究者需要进行严密的计算和基因研究来识别这种化合物,他们的目标是不需要依靠基因工程便可以找到一种适用于所有物种的化合物。但是要让这种化合物产品出现在市场上,至少还需要10年的时间。 (编译 李楠)