某些蛋白質是植物應對乾旱的指揮

Salk 研究所的科學家找到了控制植物複雜應激反應的關鍵成分，為植物進一步適應乾旱環境提供了線索。

擬南芥（Arabidopsis thaliana）在自然環境中表現出應激狀態。

來源 Phys.org

翻譯 邸正傲

審校 安定

植物葉片的下垂和乾枯提示我們為它們澆水，而在分子水平上植物是怎樣應對乾旱的呢？

Salk 研究所的科學家最近在這個問題上取得了重大突破，這一發現或許能幫助農業生產適應乾旱等不利氣候。

該研究發表在11月4日的Science上（論文信息見文末）。研究表明在面對不利自然條件時，植物的一小部分蛋白會作為「指揮」，調控複雜的應激反應。這些實驗結果有望促進提高植物水分利用率的新技術的開發。

「從分子水平上來講，植物應對脅迫是一個涉及數百個基因的複雜過程，」本文通訊作者 Joseph Ecker表示。「我們發現了一類調節蛋白，它們在植物應對乾旱等脅迫過程中發揮著關鍵作用。如果我們能夠控制某個調節蛋白，就相當於控制了它所調控的全部基因。」

在不利條件下植物的抗逆能力決定其存亡。正如腎上腺素能幫助人類應對危險一樣，植物也擁有一些重要的激素來幫助它們應對環境中的脅迫條件：參與種子生長和提高水份利用率的脫落酸（abscisicacid，ABA）就是其中之一。

當土壤中水份稀少或者鹽度偏高時，植物的根和葉便會分泌脫落酸。儘管科學家知道激素可以影響植物的抗逆能力，但我們對激素分泌後植物體到底發生著怎樣的變化還知之甚少。

「僅僅二十幾個調節蛋白，卻控制著上百甚至上千個基因的表達,」本文的第一作者 Liang Song 說道。「通過找出主要的調節蛋白並研究其工作機理，我們可以更加深入地理解甚至人為調節植物的應激反應。」

在實驗中，Salk研究所的課題組追蹤植物分泌脫落酸時基因表達的實時變化，並確定了一些關鍵的調節蛋白，這些蛋白控制著植物應對乾旱等外界脅迫條件的應激反應。通過定位這些調節蛋白與DNA的結合位點，他們確定了一些能夠調節基因表達網路的關鍵蛋白，這些蛋白能高效引發細胞面對環境變化的應激反應。

這個課題組著力於研究一些已知的響應脫落酸的調節蛋白。他們將生長三天的擬南芥幼苗浸泡在含脫落酸的溶液中，並每隔60小時檢測它們的基因表達強度。

在實驗過程中，他們得到了包含33602個基因的122個數據組，其中3061個基因至少在一個時間點有表達強度的變化。數據分析揭示出一個多層次的調控機制，其中調節蛋白在基因表達調控中起到最關鍵的作用。有趣的是，蛋白在 DNA 上特定時刻的結合模式能很大程度上解釋某一較長時間內基因的表達情況。這些動力學特性共同揭示出植物應對環境刺激是一個全基因組範圍的協同反應。

「基於對網狀結構的認識，我們發現單個關鍵調節蛋白可以同時控制多個組分，這意味著基因調控是一個精確且相互關聯的過程。」Song 說道。「這一點對農業十分重要，因為這表明對一個基因的控制可以激活或抑制另一整套基因，使得統籌設計人工干預方案稱為可能。」這一研究與Ecker課題組2013年另一項關於植物激素乙烯的研究相互呼應，表明這種多層次協同的基因活動在有花植物中可能是廣泛存在的。

論文基本信息

【題目】A transcription factorhierarchy defines an environmental stress response network

【作者】Liang Song, Shao-shanCarol Huang, Aaron Wise, Rosa Castanon, Joseph R. Nery, Huaming Chen, MarinaWatanabe, Jerushah Thomas, Ziv Bar-Joseph, Joseph R. Ecker

【刊期】Science

【日期】04 Nov 2016

【DOI】10.1126/science.aag1550

【摘要】Environmental stressesare universally encountered by microbes, plants, and animals. Yet systematicstudies of stress-responsive transcription factor (TF) networks inmulticellular organisms have been limited. The phytohormone abscisic acid (ABA)influences the expression of thousands of genes, allowing us to characterizecomplex stress-responsive regulatory networks. Using chromatinimmunoprecipitation sequencing, we identified genome-wide targets of 21ABA-related TFs to construct a comprehensive regulatory network in Arabidopsisthaliana. Determinants of dynamic TF binding and a hierarchy among TFs weredefined, illuminating the relationship between differential gene expressionpatterns and ABA pathway feedback regulation. By extrapolating regulatorycharacteristics of observed canonical ABA pathway components, we identified anew family of transcriptional regulators modulating ABA and salt responsivenessand demonstrated their utility to modulate plant resilience to osmotic stress.

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