设计明天的超级植物：关键在于昼夜节律

最近的研究表明，植物利用其内部昼夜节律来适应水分供应和盐分水平的波动，为开发能够承受干旱条件的作物提供了一种新的策略。

气候变化目前正在影响农业生产力，最终可能对全球粮食安全构成相当大的风险。开发更具弹性、能够承受干旱或土壤盐碱度升高等条件的作物正成为迫切需求。

南加州大学凯克医学院（Keck School of Medicine of USC）的一项新研究，部分由美国国立卫生研究院（National Institutes of Health）资助，揭示了植物如何调节其对压力的反应的细节，这可能对这些努力至关重要。研究人员发现，植物利用其生物钟来应对全天外部水和盐含量的变化。同样的回路——一个由称为ABF3的蛋白质控制的优雅反馈回路——也有助于植物适应干旱等极端条件。研究结果最近发表在《美国国家科学院院刊》上。

“底线是植物被卡在原地。他们不能跑来跑去喝水。当他们想要或远离盐分过多的土壤时，它们不能移动到阴凉处。正因为如此，他们已经进化到使用他们的生物钟来精确地测量和适应他们的环境，“该研究的资深作者，大学和教务长史蒂夫·凯（Steve A. Kay）博士说，他是凯克医学院神经病学，生物医学工程和定量计算生物学的教务长，南加州大学迈克尔逊融合生物科学中心主任。

这些发现建立在Kay实验室关于昼夜节律蛋白在植物和动物中的作用的长期研究之上。时钟蛋白调节一天中的生物变化，可能为作物工程中的持续挑战提供精明的解决方案。创造抗旱植物是困难的，因为植物通过减缓自身的生长和发育来应对压力——过度的压力反应意味着表现不佳的植物。

“在提高植物的抗逆性与最大限度地提高其生长和产量之间有一个微妙的平衡，”凯说。“气候变化使解决这一挑战变得更加紧迫。

寻找反馈循环

先前的植物生物学研究表明，时钟蛋白调节植物中约90%的基因，并且是它们对温度，光照强度和日长反应的核心，包括决定它们何时开花的季节变化。但一个悬而未决的问题是，时钟蛋白是否以及如何控制植物处理不断变化的水和土壤盐度水平的方式。

为了探索这种联系，Kay和他的团队研究了拟南芥，拟南芥是一种常用于研究的植物，因为它体积小，生命周期快，基因组相对简单，与许多农作物具有共同的性状和基因。他们创建了一个包含所有2000多种拟南芥转录因子的库，这些转录因子是控制基因在不同情况下表达方式的蛋白质。转录因子可以提供有关生物过程调控的关键见解。然后，研究人员建立了一个数据分析管道来分析每个转录因子并搜索关联。

“我们得到了一个非常大的惊喜：时钟调节的许多基因都与干旱反应有关，”凯说，特别是那些控制脱落酸激素的基因，脱落酸是植物在水位非常高或非常低时产生的一种应激激素。

分析显示，脱落酸水平由时钟蛋白以及转录因子ABF3控制，Kay称之为“稳态反馈回路”。在一天的时间里，时钟蛋白调节 ABF3 以帮助植物对不断变化的水位做出反应，然后 ABF3 将信息反馈给时钟蛋白以控制应激反应。当条件变得极端时，例如在干旱期间，同样的循环有助于植物适应。遗传数据还揭示了处理土壤盐度变化的类似过程。

“这个电路的真正特别之处在于，它允许植物对外部压力做出反应，同时控制其压力反应，以便它能够继续生长和发展，”凯说。

设计更好的作物

研究结果指出了两种可能有助于提高作物复原力的新方法。首先，农业育种者可以在昼夜节律ABF3回路中搜索和选择自然发生的遗传多样性，使植物在应对水和盐胁迫方面略有优势。即使恢复力略有提高，也可以大规模大幅提高作物产量。

Kay和他的同事们还计划探索一种基因改造方法，使用CRISPR来设计促进ABF3的基因，以设计高度抗旱的植物。

“这可能是思考如何调节作物以使其更具抗旱性的重大突破，”凯说。