生物学家鉴定控制植物节律性生长的基因

2008年9月16日

生物学家鉴定控制植物节律性生长的基因

2008年9月16日

加州拉霍亚——圣生物研究所、加州大学圣地亚哥分校和俄勒冈州立大学的生物学家团队，发现了使植物在夜间经历有节奏的生长爆发并使其在被其他植物遮挡时能展开竞争的基因。.

本周出版的《期刊》杂志上，研究人员报告 PLoS生物学 这些基因控制着植物生长激素、植物光感受器和昼夜节律的复杂相互作用，使植物能够在一天或一年的特定时间响应不同水平的光和其他环境条件，经历有节奏的生长爆发。.

他们发现了使一个多世纪前就令查尔斯·达尔文着迷的植物节律性运动的遗传基础，这最终可能使科学家能够设计出比当今最高产品种生长速度更快、产量更高的农作物。.

“这项研究建立在我们之前的发现之上，即几乎所有的植物基因都只在一天中的特定时间表达，”霍华德休斯医学研究所的研究员说 乔安·乔里, 索尔克研究所植物生物学实验室教授、本次研究的首席科学家，博士。.

“我们发现了一系列可能是在分子层面上决定植物生长的实际分子开关，”加州大学圣地亚哥分校生物科学系主任、该研究团队的领导者之一史蒂夫·凯（Steve Kay）博士说。“我们越了解这些遗传机制以及它们如何开启和关闭植物生长，我们就越能更好地设计定制化的作物，以提高我们为全球快速增长的人口生产粮食和燃料的能力。”

植物如何在不同环境中生长以最大化其生存能力，长期以来一直令生物学家着迷。1880年，查尔斯·达尔文发表了 植物运动的力量, 他一本不太出名的书，书中描述了他对不同植物如何响应各种刺激而生长和移动的研究。.

虽然大多数人可能认为植物在白天和黑夜里生长速度缓慢而稳定，但达尔文等人发现，它们会在夜间规律性地猛增，在黎明前几小时茎的伸长速度最快。观看大豆发芽生长的视频，网址是： http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/bigbeansprout.mov

“植物实际上是按节奏生长的，”凯说道。“有些植物，比如高粱，每晚能生长一厘米或更多。”

植物为何进化出在夜间或黎明前的几个小时内有节奏地生长的机制，仍然是个谜。但植物在特定季节和被其他植物遮蔽时，由光感应、植物激素和昼夜节律相互作用而产生的明显有节奏的生长，具有明确的生存价值。.

“任何正在生长的植物都处于需要与周围生长的植物竞争的境地，因此它必须发展出衡量环境的方法才能进行竞争，”凯说。“植物细胞含有植物色素，它们本质上是遮荫探测器，能够测量不同颜色的光照比例，从而使植物能够判断是阴天还是被其他植物遮挡了。被其他植物遮挡是坏消息，因为那株植物正在吞噬所有有利于光合作用的正确颜色的光。如果植物检测到被遮挡，它们会分泌生长激素来伸长。当你把什么东西留在草坪上，周围的草长得更高时，你就能看到这种情况的极端例子。”

为确定哪些基因控制这些节律性生长模式，研究团队转向 拟南芥, ，一种用作植物遗传学家实验室模型的微小芥菜植物。因为 拟南芥, 像许多其他植物一样，在暴露于昼夜光照周期时，在黎明前的几个小时内生长最快，科学家们试图确定在此期间哪些基因被激活。他们使用 DNA 微阵列芯片，一次可以测试数千个基因，以确定哪些基因在此期间活跃。.

“我们进行了数十万次测量，”第一作者 Todd Michael 博士说，他曾是 Salk 研究员，现任 Waksman 研究所以及罗格斯大学基因组学与生物信息学助理教授，“然后问是什么基因有节奏地被开启，并且与黎明前这种有节奏的生长模式相关？我们发现，许多基因分布在各处 拟南芥 负责激素生物合成、激素信号传导和激素代谢的基因组都与植物的节律性生长密切相关。这告诉我们，这组基因可能是定义植物在分子水平上生长的真实标志。”

科学家们表示，这些不同的基因协同作用，共同调控植物的节律性生长，这就像一个门，其铰链受光感受器和生物钟的控制，在黎明前打开，允许大量生长激素在细胞内发挥作用，然后关上门，刹住植物的生长，直到下一个 24 小时周期。.

“这种激素途径的时间整合使植物能够微调植物激素反应，以适应季节和遮荫的生长调节，”他们在论文中写道。“包括促进和拮抗生长的激素在内的许多不同植物激素基因，在植物生长的特定时间会共表达，”乔里说。“存在这样一个广泛的基因调控模块，这真是一大惊喜。”

为了说明他们的模型，科学家们将一种发光的酶——荧光素酶——附着在他们识别出的负责节律性生长的基因上。 拟南芥 植物。随着植物进入其有节奏的生长阶段， 拟南芥 植物会随着调节植物激素“通道”打开和关闭的基因被激活然后失活而发出亮光，然后熄灭。观看附带解说的视频，请访问： http://www.biology.ucsd.edu/scicomm/video/sprouts.mov

科学家们还发现，大多数与这种黎明前节律性生长相关的基因都具有共同的DNA序列，这是一个他们称之为“HUD”元件（意为“黎明激素上调”）的“主控制器”。他们指出，这个HUD元件必然有一个与之结合的蛋白质来调控其功能。.

“我们不知道那是什么，因为我们还没有找到它，”凯说。“识别这种蛋白质调控因子将是未来的一个关键目标，因为这种蛋白质对于控制植物生长和产量将极其重要。”

“乔里补充道：”这对于生物学家来说是一个非常激动人心的时刻，因为现在有了工具来回答关于复杂过程的问题，例如植物是如何生长的，或者人类的新陈代谢是如何出现问题的。“

其他合著者包括加州大学圣地亚哥分校的博士后研究员 Ghislain Breton（理学博士）和 Samuel Hazen（理学博士），以及俄勒冈州立大学的基因组生物学助理教授 Todd Mockler（理学博士）和研究生 Henry Priest。.

该研究得到了霍华德休斯医学研究所、美国国立卫生研究院和美国国家科学基金会的资助。.

加利福尼亚州拉霍亚的索尔克生物学研究所（Salk Institute for Biological Studies）是一个独立的非营利组织，致力于在生命科学领域做出基础性发现，改善人类健康，并培养未来的研究人员。其脊髓灰质炎疫苗几乎根除了1955年令人衰弱的脊髓灰质炎疾病的乔纳斯·索尔克医学博士于1965年创立了该研究所，得到了圣地亚哥市赠送的土地以及“March of Dimes”组织的财政支持。.