Science：解析植物缺水的分子机制

　　

生物通报道：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11月4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。延伸阅读：Science：控制植物开花的“开关”；Science：植物季节性生长全靠“体温计”；Nature解开植物成功受精之谜。

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。

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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2013年Ecker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。

（生物通：王英）

生物通推荐原文：
L. Song, S.-s. C. Huang, A. Wise, R. Castanon, J. R. Nery, H. Chen, M. Watanabe, J. Thomas, Z. Bar-Joseph, J. R. Ecker. A transcription factor hierarchy defines an environmental stress response network. Science, 2016; 354 (6312): aag1550 DOI: 10.1126/science.aag1550