@ 2016.07.07 , 20:00

亩产万斤的秘密或藏在禾本科的气孔基因里

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为啥禾本科(小编注:别称早熟禾科,分为620多属,10000多种,地球陆地大约有20%覆盖着草,禾本科包括多种俗称作"某某草"的植物)是地球上最成功的植物?从荒凉的戈壁到积雪的峰顶都有它们的踪迹。

一些生物学家认为这是因为它们可以快速让气体进出叶子,从而光合作用效率更高。新的研究显示,它们的秘密武器在没有那么广泛分布的阔叶植物的基因蓝图里也能找到,如果激活它,生物学家就可以创造亩产更高,且能抵御气候变化的农作物。

由斯坦福大学的Michael Raissig带领的生物学家们发现阔叶植物和禾本科植物使用同样的基因制造气孔,即叶子上让水和气通过的开口,但是它们在不同时间打开和关闭这些基因,以创造不同形状的细胞。

他们的研究“可以用来改进人类用作食物或者燃料的禾本科生长情况,”研究合著者,同样来自斯坦福大学的Dominique Bergmann说。

跟人类一样,植物也要呼吸气体才能生存。叶子上的微孔,也就是气孔(stomata,希腊语的意思是“嘴”)可以帮助植物换气。

气孔的历史相当悠久,在距今4亿年前的化石上就发现了它们。

当气孔打开时,像二氧化碳,氧气和水蒸气这样气体可以进出,这一过程是由一对保卫细胞控制的。当诸如钾这样的溶质被吸入时,水分也会进来。随着它们膨胀,保卫细胞向外弯曲,气孔就打开了。

但是并非所有的气孔都是一样的。阔叶植物有着形似肾脏的保卫细胞,而在类似小麦和竹子的禾本科上,保卫细胞是哑铃状的。

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上:二穗短柄草的哑铃状气孔;下:拟南芥的肾状气孔

哑铃状的保卫细胞之所以更加高效是因为它们需求更少的溶质和水,而打开的孔径尺寸跟肾状保卫细胞的一样大。它们同样可以应对环境变化,因此能够充分利用换气,使之更加快速。

2007年发表在Plant Physiology上的一项澳大利亚研究在禾本科的小麦上发现,它的气孔打开关闭的速度比其他非禾本植物的快了一个数量级。

所以禾本科是否拥有一组不同的基因,可以产生哑铃状的保卫细胞,或者它们跟阔叶植物有着同样的基因,但是打开的方式不一样呢?这就是Raissig和他的同事要解决的问题。

他们筛选了禾本科二穗短柄草(小麦的亲戚)的基因组,发现它的哑铃状气孔基因跟拟南芥的肾状基因是一样的。

但是它的调节系统是不一样的。二穗短柄草使用一种不同的“转录因子”网络,即跟特定DNA序列绑定的蛋白质,可以控制基因的打开和关闭。这决定了植物有多少个气孔,气孔的位置以及形状。

Bergmann说,这些发现包含了一种“构造气孔的万能工具包”,将可以用作改进产量和抗旱性。

他们的研究发表在《美国国家科学院院刊》上。

本文译自 cosmosmagazine,由译者 许叔 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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