利用代谢模型研究温度胁迫对玉米的影响

　　

内布拉斯加州科学家领导的一个研究小组建立了有史以来最大的玉米代谢模型，以研究温度压力如何影响植物，以及某种真菌如何帮助缓解这个问题。

化学和生物分子工程副教授、首席研究员拉吉布·萨哈(Rajib Saha)说，这项研究是对早期玉米根系代谢模型工作的扩展，该模型曾被同一个团队用于研究氮胁迫条件下植物的氮利用效率。Saha和他的团队已经将模型扩展到包括整个植物，而不仅仅是根，允许扩展研究复杂的代谢相互作用，它们相关的分子基础和各种影响生产力的压力源。

代谢模型是玉米杂交种B73，其基因组因制造用于食品、饲料和各种工业用途的杂交种而受到高度重视。在20世纪70年代早期由爱荷华州立大学开发，这个品种及其后代出现在世界上几乎所有杂交玉米的一半亲本中。

内布拉斯加州开发的多器官代谢模型-有史以来最大的玉米(或任何其他植物)-使科学家能够比使用实际玉米植物进行实地研究更有效和快速地进行研究。与Saha一起工作的博士生Niaz Bahar Chowdhury说，该模型还可以帮助实际玉米作物的实地研究人员更快、更有效地进行实验。

据估计，由气候变化引起的温度压力会使玉米产量降低7%至18%。

Saha说:“迫切需要开发出能够承受温度胁迫的高产玉米基因型。”

科学家们正在研究如何调节植物的新陈代谢来抵消这种压力。Saha说，该团队的研究采用了一种整体的、全植物的方法，而不是只关注植物的特定元素。

在其他影响中，温度胁迫可以减少叶片光合作用和碳水化合物合成，减少籽粒淀粉合成，影响秸秆氨基酸和木质素的生物合成。此外，温度胁迫会损害酶和组织，损害开花，并引发生殖阶段的氧化应激。

萨哈的团队在他们的模型中加入了过多的热和冷数据，发现两者都会造成所谓的“代谢瓶颈”，从而减缓植物的生长，但注意到热量的问题尤其严重。在持续的气候变化中，预计过热将继续阻碍作物生长。

缓解温度压力的一种方法是重新设计植物，创造受温度影响较小的新杂交品种。虽然这可能会成功，但“这是一个非常、非常漫长的过程”。

在另一种方法中，研究人员用一种被称为不规则根噬菌的有益真菌接种玉米根，这种真菌通常被用作土壤接种剂。萨哈说，这项新的研究发现，在冷热胁迫条件下，不规则龙葵还能成功地减少代谢瓶颈，从而减缓植物的生长。真菌处理增加了全株生物量和器官特异性生物量的增长率。未来的研究，将使用相同的代谢模型，重点研究在高氮和低氮条件下，不规则小檗如何影响植物的代谢。

乔杜里和萨哈说，他们创建的模型将可供想要研究玉米其他压力的研究人员使用。

这项研究由美国国家科学基金会和美国能源部资助，在《科学》杂志的一篇文章中进行了总结。共同作者包括来自爱荷华州立大学和宾夕法尼亚州立大学的研究人员，以及巴黎萨克雷大学、法国国立农业研究所、巴黎高科农业研究所、凡尔赛格里尼翁研究所和中心以及法国国家农业研究所。