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植物根系的防御武器库

淳于秀环
摘要植物通过产生或降解称为木栓质的软木状层来改变其根部的渗透性,从而适应其营养需求。通过研究拟南芥中这一保护层的调节,由瑞士日内瓦大学

植物通过产生或降解称为木栓质的软木状层来改变其根部的渗透性,从而适应其营养需求。通过研究拟南芥中这一保护层的调节,由瑞士日内瓦大学 (UNIGE) 科学家领导的国际团队发现了四种负责木栓质基因激活的分子因素。这些因素的识别允许生产根部连续覆盖——或者相反,完全没有——木栓质的植物。这些因素对于选择对环境胁迫具有更强抵抗力的植物具有重要意义。这项工作发表在国家科学院院刊( PNAS) 上)。

根从土壤中吸收养分和水分必须是有选择性的,尤其是当环境对植物有毒时。Suberin 存在于植物根部,是一种由脂质组成的物质,可作为抵御各种环境压力的保护屏障。事实上,UNIGE 科学学院植物学和植物生物学系教授 Marie Barberon 之前的一项研究表明,软木的主要成分木栓质可以覆盖细胞壁,或者相反被降解改变根对环境中存在的养分的渗透性。因此,木栓质层可以保护植物免受水分流失和有毒元素(如盐或镉)的存在,但也可以优化生长所需营养物质的获取。

模式植物拟南芥的四个关键因素

为了了解木栓质的存在是如何被调节的,由玛丽·巴伯伦 (Marie Barberon) 领导的一个国际团队对内皮中存在的某些调节剂感兴趣,内皮层是围绕运输树液并形成木栓质的血管的细胞层。本研究是在植物生物学中广泛使用的模式生物中进行的, 拟南芥。“我们能够利用这种植物的一个特征,即其根部的透明度,在染色后直接在显微镜下观察木栓质的存在与否,并可以确定其生产所必需的因素,”研究员 Vinay Shukla 解释说在植物学和植物生物学系,本研究的第一作者。这使生物学家能够确定负责在内皮层中形成木栓质的四种主要蛋白质。“因此,我们获得了根部总是被木栓质覆盖的植物。使用 CRISPR/Cas9 技术,我们还为这些在木栓质生产中受损的蛋白质生成了四重突变体,”Vinay Shukla 继续说道。

走向超级抗性植物

然后,这些改良的拟南芥植物在钠含量不同的环境中生长,钠是盐中含有的一种营养物质,是植物生长所必需的,但如果在土壤中以高浓度存在,则会变得有毒。“我们观察到,根部持续被木栓质覆盖的植物吸收的钠比没有的少。另一方面,后者对有毒浓度的抵抗力较差,”玛丽·巴伯伦评论道。

这一发现调节根中木栓质形成的关键因素提供了宝贵的遗传工具,可以更精确地研究其在维持植物营养平衡方面的作用,以及对盐胁迫、干旱或洪水的抵抗力。通过使用木栓质和本研究中确定的因素作为根性状来选择对不利环境条件更具抵抗力的植物,这些结果也可能产生相当大的农艺影响。