PNAS发现了保护植物免受极端条件影响的生物回路

气候变化已经在损害农业产量，并可能有一天对世界粮食供应构成重大威胁。培育更具抗灾能力的作物，包括那些能够在干旱或高土壤盐度环境下茁壮成长的作物，是一项日益迫切的需求。

南加州大学凯克医学院(Keck School of Medicine of USC)的一项新研究揭示了植物如何调节它们对压力的反应的细节，这可能对这些努力至关重要。该研究部分由美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)资助。研究人员发现，植物利用它们的生物钟来响应全天外部水和盐水平的变化。同样的回路——一个被称为abf3的蛋白质控制的优雅的反馈回路——也帮助植物适应极端条件，如干旱。研究结果刚刚发表在《美国国家科学院院刊》上。

“底线是植物被困在原地。他们不能跑来跑去喝口水。当它们想要离开盐含量过高的土壤时，它们无法进入阴凉处。正因为如此，它们已经进化到使用生物钟来精确地测量和适应环境，”该研究的资深作者史蒂夫凯博士说，他是凯克医学院神经学、生物医学工程和定量计算生物学的大学和教务长教授，也是南加州大学迈克尔森融合生物科学中心的主任。

这一发现建立在凯的实验室对植物和动物生物钟蛋白的作用进行的长期研究的基础上。调节一天中生物变化的时钟蛋白，可能为作物工程中持续存在的挑战提供一个精明的解决方案。培育抗旱植物是困难的，因为植物对压力的反应是减缓自身的生长和发育——过度的压力反应意味着表现不佳的植物。

“在提高植物的抗逆性和最大限度地提高其生长和产量之间存在着微妙的平衡，气候变化使解决这一挑战变得更加紧迫。”

找到反馈循环

之前的植物生物学研究表明，时钟蛋白调节着植物中约90%的基因，对植物对温度、光照强度和日照长度的反应至关重要，包括决定它们何时开花的季节变化。但一个悬而未决的大问题是，时钟蛋白是否以及如何控制植物处理不断变化的水和土壤盐度水平的方式。

为了探索这种联系，Kay和他的团队研究了拟南芥，这种植物通常用于研究，因为它体积小，生命周期快，基因组相对简单，与许多农作物具有共同的特征和基因。他们创建了一个包含2000多种拟南芥转录因子的文库，这些转录因子是控制基因在不同情况下表达方式的蛋白质。转录因子可以为生物过程的调控提供关键的见解。研究人员随后建立了一个数据分析管道来分析每个转录因子并寻找关联。

“我们得到了一个非常大的惊喜:生物钟调节的许多基因都与干旱反应有关。”特别是那些控制激素脱落酸的基因，这是一种植物在水位非常高或非常低时产生的应激激素。

分析表明，脱落酸水平是由时钟蛋白和转录因子ABF3控制的，Kay称之为“稳态反馈回路”。在一天的过程中，时钟蛋白调节ABF3来帮助植物对不断变化的水位做出反应，然后ABF3将信息反馈给时钟蛋白来控制压力反应。同样的循环帮助植物适应极端的环境，比如在干旱期间。遗传数据也揭示了处理土壤盐分水平变化的类似过程。

“这个回路的特别之处在于，它允许植物对外部压力做出反应，同时控制其压力反应，这样它就可以继续生长和发育。”

改良作物

这些发现指出了两种可能有助于提高作物适应力的新方法。首先，农业育种者可以在昼夜节律ABF3回路中寻找和选择自然发生的遗传多样性，这使植物在应对水和盐胁迫方面具有轻微的优势。即使是恢复力的小幅提高也能大规模地大幅提高作物产量。

Kay和他的同事们还计划探索一种基因修饰方法，利用CRISPR来设计促进ABF3的基因，从而设计出高度抗旱的植物。

Kay说:“这可能是在思考如何调节作物植物使其更抗旱方面的一个重大突破。”