這是對(duì)野生型擬南芥幼苗的顯微觀察，其中熒光蛋白標(biāo)記了質(zhì)膜。
隨著世界變暖，植物面臨著一個(gè)困境——它們必須打開(kāi)來(lái)交換氣體的同樣的小孔也會(huì)排放水。他們可以關(guān)閉被稱為氣孔的孔，以在更熱和更干燥的條件下保持水分，但這樣做可能會(huì)錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵的二氧化碳。
斯坦福大學(xué)博格曼實(shí)驗(yàn)室面臨的問(wèn)題是，隨著世界上越來(lái)越多的工廠經(jīng)歷更溫暖、更干燥的環(huán)境，這種困境將如何運(yùn)作。確定這一點(diǎn)需要小組退后一步，更好地理解植物如何調(diào)節(jié)每片葉子上的氣孔數(shù)量。答案不僅表明工程植物有機(jī)會(huì)抵抗氣候變化，還揭示了一個(gè)以前未知的過(guò)程，通過(guò)這個(gè)過(guò)程，植物可以微調(diào)它們建立的氣孔數(shù)量。
“能夠更好地預(yù)測(cè)北方森林等植被將如何應(yīng)對(duì)全球氣候變化，這將是非常好的。氣孔發(fā)育的變化是植物在環(huán)境變化時(shí)可能用來(lái)適應(yīng)的一種機(jī)制，但是我們有斯坦福大學(xué)人文科學(xué)學(xué)院生物學(xué)教授多米尼克博格曼實(shí)驗(yàn)室的博士后學(xué)者AnneVatn，他說(shuō)我們需要更多地了解它。
在9月6日發(fā)表在《發(fā)育細(xì)胞》雜志上的一篇論文中，研究人員發(fā)現(xiàn)擬南芥植物中的哪種激素協(xié)調(diào)植物產(chǎn)生的氣孔數(shù)量。更重要的是，他們利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)來(lái)調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的激素水平，從而知道這種激素能在多大程度上增加或減少氣孔。
觀察氣孔發(fā)育。
該小組首先研究了細(xì)胞分裂素的作用，細(xì)胞分裂素是一種重要的植物激素，長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為影響氣孔的發(fā)育，并與整個(gè)植物中的其他過(guò)程相協(xié)調(diào)。本文第一作者Vatn對(duì)擬南芥全基因組進(jìn)行了分析，證實(shí)了細(xì)胞分裂素相關(guān)基因在即將成為氣孔的細(xì)胞中確實(shí)高度活躍。然后，通過(guò)上調(diào)或下調(diào)數(shù)百種實(shí)驗(yàn)室植物特定細(xì)胞中這種激素的水平，研究人員發(fā)現(xiàn)它們可以微妙地改變植物產(chǎn)生的氣孔數(shù)量。
更重要的是，他們準(zhǔn)確追蹤了細(xì)胞分裂素在這種情況下的作用。它激活了一種叫做“無(wú)語(yǔ)”的基因，這種基因使細(xì)胞走上了變成氣孔的道路。但是這條路并不直接——早期的步驟包括干細(xì)胞樣分裂，這可以擴(kuò)大氣孔的細(xì)胞池。通過(guò)他們的實(shí)驗(yàn)，研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管無(wú)語(yǔ)促進(jìn)了更多的細(xì)胞變成氣孔，但它也激活了四種蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)限制了細(xì)胞對(duì)細(xì)胞分裂素的反應(yīng)能力。
盡管改變細(xì)胞分裂素的水平總是會(huì)影響氣孔，但研究人員發(fā)現(xiàn)，這種影響從未如此顯著——例如，完全消除他們發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)，只改變氣孔數(shù)量的10%左右?；谶@一發(fā)現(xiàn)，研究小組很好奇將氣孔增加10%是否有意義?？紤]到之前關(guān)于在極端環(huán)境下種植植物的研究，博格曼注意到實(shí)驗(yàn)中科學(xué)家將植物大氣中的正常二氧化碳水平提高了一倍，并觀察了對(duì)氣孔的影響。包括代表幾十個(gè)物種的數(shù)百人，反應(yīng)是平均減少葉片氣孔數(shù)量約9%。
“這是一個(gè)非常令人滿意的發(fā)現(xiàn)，”博格曼說(shuō)，他也是霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究員和這篇論文的資深作者?！爱?dāng)植物失去使用細(xì)胞分裂素-無(wú)語(yǔ)系統(tǒng)的能力時(shí)，說(shuō)我們看到的氣孔數(shù)量的變化是有意義的，因?yàn)橹参锿ǔ?huì)有許多變化來(lái)應(yīng)對(duì)環(huán)境的變化?！?
CRISPR與氣候變化
研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)，精確改變植物中的單個(gè)基因，以提高和降低細(xì)胞分裂素水平。研究人員表示，這項(xiàng)技術(shù)非常有希望做出有針對(duì)性的小改變，以提高植物抵御氣候變化的能力。然而，最近，決定，由CRISPR改造的植物應(yīng)該遵守與由較舊和不太精確的方法改造的植物相同的嚴(yán)格法律。博格曼與他們兩人的經(jīng)歷讓她質(zhì)疑這個(gè)決定，特別是，她說(shuō)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)突變培育的植物，一種更古老和更具侵略性的程序，被豁免了。
博格曼說(shuō)：“重要的是討論遺傳信息如何通過(guò)各種技術(shù)(如CRISPR/Cas9)自然改變，并讓科學(xué)家們更多地關(guān)注為了人類的利益而不是企業(yè)利潤(rùn)而改良植物?！暗艺J(rèn)為目前的裁決是短視的?！?
沿著個(gè)性化醫(yī)學(xué)的路線，研究人員預(yù)測(cè)，植物生物學(xué)家將越來(lái)越關(guān)注科學(xué)家通過(guò)基因編輯產(chǎn)生的植物微小變化。
這項(xiàng)工作的下一步將是觀察細(xì)胞分裂素激素如何將氣孔的發(fā)育與血管系統(tǒng)的發(fā)育以及干旱等特定環(huán)境變化聯(lián)系起來(lái)。同時(shí)，博格曼實(shí)驗(yàn)室一直在研究其他植物激素是如何調(diào)節(jié)氣孔的。
這篇論文的合著者包括北卡羅來(lái)納大學(xué)的卡拉索亞爾斯和扎卡里尼姆丘克，以及加州理工學(xué)院的保羅塔爾和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所。
這項(xiàng)工作是由EMBO博士后獎(jiǎng)學(xué)金，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，國(guó)家衛(wèi)生研究院，戈登和貝蒂摩爾基金會(huì)和霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所資助的。
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