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植物也有“生存策略”

2019-06-21 09:00:03  來源:中科院之聲

在我們的認識中,動物的記憶是后天習得的本領,不論是聽到鈴聲集中進食,還是對襲擊和疼痛的記憶,都是為了更好地生存。而植物作為無法移動的生命體,在人類的生活中,一直是作為精心培育的對象,精控大田、人工溫室都是為他們而建。

最近,中國科學院昆明植物研究所的專家們在國際期刊《遺傳學前言》上發表了相關的研究成果,發現水稻具有對干旱環境的“記憶”,并找到了水稻的干旱“記憶”調控網絡。

植物也有“生存策略”

植物在自然界的生長過程中,會經歷多次相同的環境脅迫,為了能夠更好地生長,它們也會從先前經歷的脅迫環境中吸取經驗,以應對后面反復發生的環境脅迫。

早在1996年,Baldwin和Schmelz在對煙草進行人為添加茉莉酸甲酯處理后,發現煙草尼古丁高峰的形成時間比未經處理的煙草形成時間提前了2小時。而對自然生長中的山樺進行觀察,研究者發現經歷多年秋蛾侵襲的山樺會產生濃度很高的酚醛類物質抑制蛾蛹的生長。

從相關的人為處理與自然發生的植物抗逆能力提升的例子中,研究者認識到很多植物也會形成記憶,在經歷多次逆境侵襲時會產生提高自身生存能力的“策略”。

(圖片來自網絡)

(圖片來自網絡)

水稻為何會有“干旱記憶”?

擬南芥(圖片來自網絡)

擬南芥(圖片來自網絡)

對植物材料進行人為的干旱復水處理的測試最早是中國科學家在擬南芥中開展的,經過多次干旱、復水處理后植物材料的耐干旱能力明顯增強。為了探究水稻——這一干旱對其有嚴重抑制作用的植物是否也可以通過人為方式提高其耐旱能力,科研人員在2015年對水稻進行了反復的干旱和復水處理:將水培的水稻材料進行脫離水環境的空氣干燥,干燥一定時間后恢復水環境培養,而后再進行干旱和復水的循環處理,讓水稻人為的經歷多次干旱脅迫,最后發現經歷多次干旱脅迫后,水稻的抗旱能力得到了提升。

水稻中的兩種陸生稻類型在人為水分脅迫預處理后具有了記憶效應在2017年也有了相關的報道。但是關于水稻形成干旱“記憶”的原因,還缺乏相關的研究。

為了進一步探究其原因,研究者對處理過程中的水稻材料進行了生理指標結合測序技術的對比與分析,研究人員發現了6885個參與提升水稻抗旱“記憶”的轉錄本以及238個干旱“記憶”核糖核酸,并對這些“記憶”轉錄本進行了分類詮釋,結果發現水稻中的干旱“記憶”轉錄本很大一部分是后期響應型,即大部分基因在前期干旱處理中蓄積能量,而在后期多次處理時才發揮重要的作用。

水稻中的干旱記憶基因表達模式(李萍制圖)

水稻中的干旱記憶基因表達模式(李萍制圖)

為了進一步探究水稻中抗旱“記憶”形成的原因,研究人員進行了一系列數據分析與實驗驗證,最終發現了水稻中存在的抗旱“記憶”調控網絡:植物生長關鍵激素之一的脫落酸對于激發水稻的抗旱性及引發水稻內的抗旱代謝反應具有重要的作用;同時核糖核酸與DNA表觀水平的變化(甲基化)影響了抗旱“記憶”轉錄本的表達;而植物的光合作用、脯氨酸合成等代謝路徑的“記憶”轉錄本都參與到了水稻的抗旱“記憶”當中。

對于植物“記憶”的探究,還有很多研究者在進行不斷的嘗試和探索,水稻中的是否存在其他逆境“記憶”也有待進一步發掘,而“記憶基因”與其參與的“記憶”調控網絡的發現為植物這一特性功能研究提供了新的思路。

 水稻干旱記憶響應的調控網絡分析(李萍制圖)

水稻干旱記憶響應的調控網絡分析(李萍制圖)

水稻的抗旱“記憶”是繼含羞草對外界脅迫抵抗“記憶”,以及燕麥草短期干旱“記憶”之后的又一重要的植物“記憶”發現,隨著越來越多植物中“記憶”的發現,“記憶”已經不再是動物們的專屬本領,越來越多的植物將會被發現具有這一特性,從而提升自身的生存適應能力。

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