有些植物可以在沒有水的情況下存活數月,只有在短暫的傾盆大雨後才能再次變綠。波昂大學和密西根大學最近的一項研究表明,這並不是由於「奇蹟基因」。相反,這種能力是整個基因網絡的結果,幾乎所有基因也存在於較脆弱的品種中。結果已經出現在網路上 植物雜誌.
在他們的研究中,研究人員仔細觀察了波昂大學長期研究的一個物種—復活植物 Craterostigma plantagineum。它的名字非常恰當:在乾旱時期,人們可能會認為它已經死了。但即使經歷了幾個月的乾旱,一點點水就足以讓它恢復活力。 「在我們的研究所,我們多年來一直在研究植物是如何做到這一點的,」波昂大學植物分子生理學和生物技術研究所 (IMBIO) 的 Dorothea Bartels 教授解釋道。
她的興趣包括 基因 負責耐旱性。人們越來越清楚,這種能力並不是單一「奇蹟基因」的結果。相反,涉及到許多基因,其中大多數也存在於不能很好應對乾旱的物種中。
植物的每條染色體有八個拷貝
在目前的研究中,Bartel 的團隊與美國密西根大學的研究人員一起分析了 Craterostigma plantagineum 的完整基因組。這是相當複雜的:雖然大多數動物的每條染色體都有兩份——一份來自母親,一份來自父親——而 Craterostigma 有八份。這樣的「八重」基因組也稱為八倍體。相比之下,我們人類是二倍體。
「這種遺傳訊息的倍增可以在許多 植物 是在以下情況下發展起來的 極端條件,」巴特爾斯說。但這是為什麼呢?可能的原因是:如果一個基因有八個拷貝而不是兩個,原則上它的讀取速度可以提高四倍。因此,八倍體基因組可以非常快速地生產大量所需的蛋白質。這種能力對於發展也很重要 耐旱性.
在Craterostigma中,一些與耐旱能力更強相關的基因甚至被進一步複製。其中包括所謂的 ELIP——該縮寫詞代表“早期光誘導蛋白”,因為它們會被光迅速激活並防止氧化壓力。它們在所有耐旱物種中以高拷貝數出現。
「Craterostigma 有近 200 個幾乎相同的 ELIP 基因,並且位於不同染色體上的十到二十個拷貝的大簇中,」Bartels 解釋道。因此,耐旱植物大概可以利用廣泛的基因網絡,在乾旱時可以迅速上調這些基因。
對乾旱敏感的物種通常具有相同的基因—儘管拷貝數較低。這不足為奇:大多數植物的種子和花粉在長時間沒有水後通常仍然能夠發芽。因此,他們還有一個基因計劃來抵禦乾旱。 「然而,這個程序通常在發芽時關閉,之後無法重新激活,」植物學家解釋道。 “相比之下,在復活植物中,它仍然活躍。”
大多數物種「可以」耐受乾旱
那麼,耐旱性是絕大多數植物「都能做到的」。賦予這種能力的基因可能在演化過程的早期就出現了。然而,這些網路在耐旱物種中更為有效,而且不僅在生命週期的某些階段活躍。
也就是說,並非 Craterostigma plantagineum 中的每個細胞都具有相同的「乾旱程序」。參與這項研究的杜塞爾多夫大學的研究人員也證明了這一點。例如,在乾燥期間,不同的乾旱網絡基因在根中的活性與在葉子中的活性不同。這項發現並不令人意外:例如,葉子需要保護自己免受陽光的破壞性影響。例如,他們在這方面得到了 ELIP 的幫助。有了足夠的水分,植物就會形成至少部分吸收輻射的光合色素。這種自然保護在乾旱期間基本上會失效。相較之下,根部則不必擔心曬傷。
這項研究加深了人們對為什麼有些人 種類 很少受到乾旱的影響。從長遠來看,它可能有助於培育小麥或玉米等能夠更好應對氣候變遷的作物。 乾旱。在氣候變遷時期,未來這些產品的需求可能會比以往任何時候都更大。