高温下新思考:从光和热如何协同影响植物生长 揭示高温下作物种植要降低密度增产！

今年夏天真是太热了。如何在全球气温上升可能损害作物产量的情况下提高作物产量？SALK研究院的科学家们从分子机制上揭示了两种植物因子，蛋白质PIF7和植物生长素是加速生长的触发因子。这一发现将帮助科学家预测植物将如何应对气候变化，并提示在气温上升大环境下作物种植应降低密度以优化生长和增产。

　　

   

   

图:不同光照和温度条件下的拟南芥细胞(上)和幼苗(下)。图中最右边的幼苗表现出对遮荫和温暖温度的反应，加速生长。    

图片来源:索尔克研究所

植物会伸长和弯曲以确保获得阳光。中学课本里解释说这是因为植物背光面会集聚更多的生长激素使背光面加速生长，以保持植物向光性生长。尽管对这一现象观察了几个世纪，其背后的分子机制依然未能明确。SALK研究所的科学家们从分子学角度揭示：当植物在荫庇下和温暖条件下，两种植物因子——蛋白质PIF7和生长激素生长素——是加速生长的触发因子，研究结果发表在《Nature Communications》上。完全解析植物生长的奥秘将有助于预测植物将如何应对气候变化，并在全球气温上升损害产量的情况下提高作物产量。毕竟，今年北半球的夏天实在是太热了，要是以后真的天气像今年这样越来越热，对农作物生产的影响肯定是显著的，更需要研究人员深入研究，及早提出应对方法。

背景

植物进化具有独特的灵活性来调节其生长以响应环境变化。刚发芽后，它们会迅速拉长胚茎（下胚轴）以从土壤中冒出并尽可能快地捕捉光线。一旦它们感觉到光，下胚轴伸长率就会降低，从而确保支撑成熟植物的稳定结构。然而，在避荫条件下，它们可以再次提高下胚轴伸长率，以胜过邻近植物并确保获得阳光。在这个被称为避荫反应的过程中，植物可以通过感知邻近植物反射的 FR 光引起的红光与远红光 (R/FR) 光比的变化来检测其他植物的接近度。另一种条件——在高温下，也会发生类似的情况，下胚轴也会随着环境温度升高而伸长，称为热形态发生。然而，人们对环境光和温度因素如何相互作用以影响植物生长知之甚少。虽然冠层遮荫和升高温度都能诱导茎的生长，但它们也会降低产量。考虑到由于全球变暖导致环境温度的预测增加，并且在田间条件下生长的作物可能同时感知这两种信号，这种相互作用尤其重要。

研究亮点

在这项研究中，作者模拟农作物的高密度种植和气候变化，比较了同时生长在荫蔽和高温条件下的植物。作者分别和同时检查了在荫蔽（低 R/FR）和热环境温度下对拟南芥生长的影响，发现这些信号对下胚轴伸长产生了显著的协同作用。只有同时暴露于低 R / FR 和高温的幼苗显示出协同伸长响应，并且与这些刺激的呈现顺序无关，表明这种增强的生长响应需要同时感知低 R/FR 和温暖的温度。在弱光条件下（30 µmol m -2  s -1），低R / FR和高温之间的协同相互作用被抑制，表明该响应与光强度有关。

在拟南芥模型中，对荫蔽和热的响应是由同一因子——光敏色素B (phyB)光感受器来感知和执行的。荫蔽条件下，较低的R/FR比值将phyB转化为非活性形式。温度升高也会增加phyB从活性(Pfr)到非活性(Pr)的自发还原速率。这主要发生在夜间，使得非活性phyB比例增加，并可以解除对植物色素相互作用因子(PIF)转录因子的抑制，使它们能够提高促生长靶基因的转录。虽然已知PIF4和PIF7分别是调控热形态发生和避光反应的主要蛋白，但是新研究表明，PIF7对于协同生长反应是必要和充分的：当与低 R/FR 结合时，PIF7 在对升高的温度的响应中具有主导作用，该反应依赖于PIF7和生长素，几乎完全独立于 PIF4 活动。令人惊讶的是，PIF4 在对高温和低 R/FR 的组合响应中仅起次要作用，当荫蔽和升高的温度结合在一起时，这个因素就不再起重要作用了。

研究对象除了拟南芥还有番茄和烟草，结果发现这三种植物都会受到同样的环境条件的影响。

 “我们一直以高密度种植作物，但我们的研究结果表明，随着气候变化，我们需要降低密度，以优化生长，”资深作者Chory教授说，她是索尔克植物分子和细胞生物学实验室的主任，也是霍华德·休斯医学研究所的研究员。“了解植物如何对光和温度做出反应的分子基础，将使我们能够以特定的方式微调作物密度，从而获得最佳产量。”“全球气温正在上升，所以我们需要能够在这些新条件下茁壮成长的粮食作物，”“我们已经确定了在温暖的温度下调节植物生长的关键因素，这将帮助我们开发出性能更好的作物来养活后代。” 

第一作者Yogev Burko说:“我们惊讶地发现PIF4并没有发挥主要作用，因为之前的研究已经表明了这一因素在相关生长情况中的重要性。”“PIF7是这种植物生长背后的主要驱动力，这一事实是一个真正的惊喜。有了这些新知识，我们希望能微调不同作物的这种生长反应，帮助它们适应气候变化。”研究人员认为，还有另一个因素在促进PIF7和生长素的作用，但尚未被发现。他们希望在未来的研究中探索这个未知的因素。Burko的实验室还将研究如何在农作物中优化这一途径。