《植物所等揭示全球气候变化下葡萄科植物生存策略的转变机制》

  • 编译者: 季雪婧
  • 发布时间:2024-10-28
  •     在全球气候变化背景下,研究生物多样性的形成与变化动态至关重要。面对变化的环境,植物或迁移至新分布区以维持原有生态位,或原地演化出新性状来适应新环境,或兼顾两种策略。传统的生态位保守性假说认为,物种更倾向于保留祖先生态位,即“迁移”可能比“演化”更容易。有研究认为,“演化”策略在植物响应环境变化过程中同样重要,两种策略可能在多种内外部因素的复杂作用下相互转变。然而,在漫长的地质历史时期,这两种策略的动态转变如何发生及其背后的机制尚不清楚。葡萄科植物现有18属近1,000个物种,主要分布于全球热带和亚热带地区,在形态和生境上均呈现出高度多样性,是研究植物多样化与生存策略转变机制的理想类群。中国科学院植物研究所联合美国史密森研究院国家自然历史博物馆,基于世界范围内的广泛采样,构建了目前取样最全的葡萄科系统发生树。这一葡萄科系统发生树共495种,物种覆盖率达到52%。该研究通过多样化分析,重建物种分布区、生境和性状,结合化石、古地质及古气候的证据,揭示了葡萄科植物在不同地质历史时期的多样化进程和生存策略转变机制。研究显示,现存葡萄科物种的最近共同祖先可追溯至白垩纪晚期,此后由亚洲逐步扩散至全球。渐新世后,崖爬藤属、葡萄瓮属、葡萄属和酸蔹藤属的多样化速率上升,这与上述类群生境变化和适应性状出现的时间相符。研究通过分析各地史时期的扩散事件、生境转变和关键性状演变发现,始新世时期葡萄科物种更多通过“迁移”策略应对气候变化;渐新世采用“迁移”策略的类群下降;中新世后大量新生境的出现促使“演化”策略成为主导。这表明植物在演化过程中并不总是遵循生态位保守原则。因此,研究应谨慎使用相关理论和假设。

        该研究将类群关键性状演化、生物地理扩散与环境变化相结合,剖析了葡萄科植物生存策略的转变模式和机制。这对提升关于生物多样性形成与变化动态的认知,预测植物如何响应未来环境变化具有科学价值。

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  • 《植物所揭示葡萄白藜芦醇合成反馈调节机制》

    • 来源专题:中国科学院亮点监测
    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间:2019-03-30
    • 白藜芦醇( resveratrol ,缩写为 Res )属于多酚化合物中的芪类化合物,在植物中主要具有抗生物胁迫的作用。近年研究表明,白藜芦醇具有防治癌症和心血管疾病的作用,因此受到学术界和企业界的高度重视。自然界中,只有葡萄等少数植物能够合成并积累白藜芦醇,葡萄已成为市场上白藜芦醇的重要来源。然而,目前人们对葡萄白藜芦醇合成的分子调控机理知之甚少,仅知道转录因子 VvMYB14 和 VvMYB15 可以直接调控白藜芦醇生物合成的关键酶——芪合酶( stilbene synthase , STS )基因的转录。    中国科学院植物研究所李绍华研究组长期致力于葡萄白藜芦醇合成调控机制的研究。研究人员发现,葡萄 WRKY 基因家族成员VvWRKY8 在葡萄响应 UV-C 辐射的过程中,与VvMYB14 和VvSTSs 高度共表达;在葡萄中瞬时和稳定过表达VvWRKY8 ,均可导致葡萄芪合酶基因成员VvSTS15/21 和VvMYB14 转录水平下降、白藜芦醇积累减少。进一步研究发现, VvWRKY8 不能直接转录调控VvSTS15/21 和VvMYB14 ; VvMYB14 通过其 N 端与VvSTS15/21 启动子结合并转录激活其表达,不能直接转录调控VvWRKY8 表达;VvWRKY8 通过其 N 端与 VvMYB14 的 N 端蛋白互作,从而抑制 VvMYB14 诱导的VvSTS15/21 转录。研究人员还发现,外源白藜芦醇可以导致葡萄悬浮细胞中VvWRKY8 表达升高、VvMYB14 和VvSTS15/21 表达降低。    该研究结果揭示了葡萄白藜芦醇合成存在 VvMYB14-VvSTS15/21-Res-VvWRKY8 的反馈调节机制,对于深入研究葡萄白藜芦醇合成精细调控机制具有重要意义,同时对利用生物工程方法生产白藜芦醇或培育高白藜芦醇含量葡萄品种具有重要价值。    该成果于近日正式发表在国际学术期刊 Journal of Experimental Botany 。编辑部在同期配发了题为 Regulation of resveratrol biosynthesis in grapevine: new approaches for disease resistance? 的评论文章,给予该研究高度评价。李绍华研究组博士研究生姜金铸为论文的第一作者,李绍华和王利军为共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金面上项目和宁夏回族自治区葡萄育种专项的资助。
  • 《气候变化,植物根系可能会加速土壤碳损失》

    • 来源专题:农业立体污染防治
    • 编译者:金慧敏
    • 发布时间:2015-04-10
    • 俄勒冈州立大学土壤科学家认为:土壤,长久以来都被认为是古代碳的半永久储库,正在以超乎想象的速度向大气中释放二氧化碳。 在本周发表在《Nature Climate Change》杂志在线版上的一项新研究中,研究人员表明,植物根系所释放的化学物质作用于与土壤矿物质相结合的碳,并通过微生物分解打破了这种结合,使受保护的碳暴露出来。 这项研究的合作者俄勒冈州立大学农业科学院土壤科学家马库斯•克莱伯说:“随后碳转化成二氧化碳释放到大气中。”他表示该研究挑战了主流观点,即碳与土壤矿物质相结合并在土壤中保存数千年。他说:“由于这些根部化合物从其保护的矿物相中分解出碳。我们可能会看到更多碳从土壤储藏中释放。” 而且气候变暖可能正在加速这一过程,他说。因为温暖的天气和空气中更多的二氧化碳刺激了植物生长,它们产生更多的根化合物。这将有可能释放出更多的储存碳,它们将转化为更多的二氧化碳进入大气——这可能反过来加速气候变暖。 “我们主要关注的是这一重要机制,但目前我们还未在全球碳循环模型中考虑它”克莱伯说。二氧化碳是当前地球大气层变暖的主要驱动力。由于没有考虑到土壤碳分解加速,研究表明,目前的气候变化模型可能低估了每年高达1%的从土壤中流失的碳。 “在全球范围内,土壤碳储存超过植被碳储存,甚至超过大气中的碳。”克莱伯说。“由于这个碳储存库是如此之大,即使微小的变化都会对大气中的碳浓度产生严重影响,进而对气候产生影响。” 百分之一可能听起来不算多,他补充说。“, 但想象一下:如果你在银行有存款,你每年失去1%,仅过50年以后你将会只剩下三分之二的原始存款。” 60%至80%的有机质进入土壤会在第一年内进行一系列的分解最后转化为二氧化碳,克莱伯说,大部分剩余的碳通过各种物理和化学作用结合到土壤矿物质中。当遇到这种情况,碳是受保护的,因为微生物不能将它分解。 在过去几十年来,科学家们一直认为这些碳矿与持久的土壤碳的“汇”有关,并且这些土壤碳一直游离于大气之外,并以稳定的存储形式了许多世纪。但是从一开始就有一个让很多人感到不安的问题,如果碳进入土壤而且一直呆在那里,那么我们为什么没有淹没在碳中?是不是有些过程使得它回到循环中?过去这部分研究不明了,但一直在寻找答案。 研究人员为常见的“根系分泌物”测试了三种模型化合物——化学物质一般通过植物根系分泌——去了解每一个是如何强烈刺激微生物来使得有机物质分解的。 在实验室中,他们使用注射器和泵,将草酸,乙酸和葡萄糖施加到分别从干旱气候农业区域、气候湿润森林和俄勒冈州3个地区选取的土壤中。他们通过35天的实验去模拟春季根系生长。 克莱伯说占主导地位的推测是预测饥饿的微生物会对有营养的葡萄糖产生最强烈的反应,这将给他们能量来解决剩下的有机物质,包括碳。 “在一定程度上,这是有可能发生的事情。”他说。 “但我们大吃一惊的是,微生物对能量贫乏的草酸比能量丰富的葡萄糖产生了更强烈的反应。” 当他们分析了储存在经草酸酸处理过的土壤中的水时, 研究人员发现与它处理前相比多了8倍的溶解碳。其他实验室的检验证实了这一发现——酸打破了碳矿物间的结合。 “这项研究的意义在于,”克莱伯说,“我们首次证明了长久储存的土壤碳循环回到系统中的机制。 草酸可以作为一整套在根区种植的植物根所分泌的化合物的优秀替代物,克莱伯说。“根分泌的几种化合物类似于草酸。我们可以假定许多根渗出液以类似的方式发生作用。” 更多详情可以查阅期刊论文:Mineral protection of soil carbon counteracted by root exudates. Nature Climate Change, 2015; DOI: 10.1038/nclimate2580