中科院学者最新Cell文章

　　

生物通报道：了解植物如何感知并应对干旱，高盐土壤，极端天气等恶劣条件，有助于科学家们开发出更“厉害”的农作物，这是提高农业生产力，维持环境可持续性发展和全球粮食安全的一个重要步骤。

然而虽然科学家们在这方面付出了很多努力，但是许多关键问题仍然没有答案，来自中科院上海生命科学研究院的著名植物抗逆生物学家朱健康教授在其最新发表在Cell杂志上的一篇综述中如是说。

“许多科学家汲汲于这些研究课题，但是我们依然无法看到用于改善农作物抗旱性，对极端温度耐受性的新品种出现。这就像是癌症研究，如此重要，如此多的研究人员致力于解决这个问题，每年还发表许多篇研究论文，但是我们能说我们对于癌症足够了解了吗？我们能发展出更多更有效的治疗方法了吗？这仍然是一个巨大的挑战，同样，抗旱和其它非生物胁迫研究也是这样。”

今天的科学研究发展为我们带来了分子生物学、基因组学和 CRISPR 基因编辑技术的重大进展，但许多关于植物胁迫信号转导通路，也就是细胞如何感知环境变化，做出生物应答的这个过程依然是个谜。

“植物对于胁迫压力的初始传感和检测依然是一个黑匣子，”朱教授表示。

科学家们常常通过沉默或者剔除一个基因来了解它的功能，但是对于植物来说，许多基因都行使着相同的功能，敲除一个植物基因，另外一个基因就会替代它，因此很难弄清楚基因和其功能之间的关联。此外，植物细胞对胁迫的感知是通过其不同的组成元件的，这也增加了研究复杂性，比如说细胞膜、叶绿体或细胞核，都能整合起来，开启防御应答信号。

“你无法推断出基因和功能之间的关系，”朱教授说，“但是感应环境很重要，一旦你将其删除，植物就无法生存，从而也无法再进行研究了。”

不过朱教授实验室找到了解决这个问题的一个方法，他们发现了一个核心途径：SOS，也就是植物中的一种非生存信号途径，这一途径参与了植物对过量土壤盐分的感应与应答。

但要在直接抗旱应答中找到相似的途径并不容易，虽然一些植物应答过程中也会出现一个或一些基因，但是干旱会影响植物的一切。

“每一个细胞过程，每一个代谢酶，”朱教授说。这种复杂性令科学家们很难分析出是能通过植物哪个部分来改善抗旱性，以及如何操作才不会对植物健康产生负面影响。

不过科学家们还是发现了许多植物胁迫反应中的主要参与者是一个称为 SnRK 蛋白激酶的家族，SnRK2（蔗糖非酵解型蛋白激酶，sucrose non-fermenting1-related protein kinase）是广泛存在于植物中的一类Ser/Thr类蛋白激酶，参与植物体内多种信号途径的转导，在植物的抗逆境生理过程中扮演了重要角色。

2011年，中科院徐华强教授等人报道了一个SnRK2–PP2C复合物结构，从中发现SnRK2，与ABA受体对PP2C识别中的惊人相似性，揭示了一个激酶-激酶磷酸酶调控新法则。

“所有这些胁迫因子都会抑制能量生成，尤其是在植物中，”朱教授说，“干旱或极端温度抑制光合作用，反过来这也意味着没有足够的能源供应，用于成长和合成细胞成分”。

除了这些未解决的问题，朱教授还强调了植物中各种信号转导途径如何彼此沟通和交流，比如说，一个胁迫应激信号如何影响代谢，生长和营养吸收？

同样，他还指出研究人员大多是在无菌环境中分析某个胁迫因子对植物生长的影响，但是自然界中的植物常常需要面对多重挑战。将这些不同胁迫因素对植物的影响整合在一起，才能得到一个更加精确的答案，朱教授说。

对于朱教授来说，研究植物应激反应就像是走在一条隧道中，可以看到光，但是尽头却比他最初想象的要远得多。不过对于这些植物的复杂机制了解的更多，他对其精巧性也更为惊叹。

“我常常惊叹于这些不动的生物机体如此‘聪明’和先进，几十亿年的进化过程真的发生了许多我们无法想象的事情。”

（生物通：张迪）

作者简介：

朱健康是世界著名的植物抗逆分子生物学领军人才之一，主要从事植物逆境分子生物学研究，尤其是在植物抗旱、耐盐与耐低温方面的研究硕果累累。他的研究团队以拟南芥为研究对象，通过遗传学、分子生物学和生物化学方法，在国际上率先开展植物抗盐的分子机理研究，提出植物抗盐的SOS途径，发现了钙离子响应环境胁迫的新的信号传导途径，为从分子水平揭示植物的耐盐机理奠定了基础；增进了对胁迫响应激素ABA的生物合成、干旱胁迫的信号传导等的了解，并首次在试管中用重组蛋白重建了一个主要的ABA信号通路；在表观遗传的分子机制研究方面，首次发现并证明自然界中存在DNA去甲基化的基因，为表观遗传学的研究开创了新的领域；另外还首次发现了小RNAs在调节胁迫抗性中起重要的作用等。

原文标题：Abiotic Stress Signaling and Responses in Plants