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科学家发现可以帮助我们更快地种植作物的基因

发布时间:2019-06-11 10:34:45 来源:

剑桥大学和波尔多大学的植物科学家发现了一种基因,他们希望这种基因可以用来扩大营养物质贩运瓶颈并可能提高作物产量。

世界各地的植物科学家正在制定一系列不同的战略,以可持续地提高作物产量。提高植物如何在植物不同部位之间运输糖,蛋白质和其他有机营养素的效率是可能促成下一次绿色革命的方法之一。

了解影响工厂内局部和长途运输的因素可以使植物生物技术专家在未来培育更多的生产性作物。最终,有可能将有机养分转移到收获的植物的特定部分(种子,水果和储存块茎)。

剑桥大学塞恩斯伯里实验室(SLCU)的YrjöHelariutta教授研究小组和波尔多大学/ CNRS大学的Emmanuelle Bayer博士团队通过发现韧皮部卸载调节剂(PLM)使这一目标更近了一步,这是一种影响营养物质贩运的新基因。改变连接相邻植物细胞的通道,称为plasmodesmata。这些纳米级膜衬里通道穿过细胞壁屏障,将植物细胞连接在一起,实现基本物质的转移(见注释)。

今天发表在“ 自然植物”杂志上的这项研究表明,发现缺失PLM基因的拟南芥突变体植物在其根部尖端从韧皮部(一种用于长距离运输的专门组织)中释放出更多的物质。使用荧光蛋白作为大分子的代理,科学家们可以看到PLM基因对韧皮部卸载量具有明显的控制作用。为了找出基因是如何做到这一点的,他们研究了苗木根部不同细胞界面发生的情况。

来自剑桥Sainsbury实验室的主要作者,严大伟博士解释说:“我们发现变异PLM减轻了贩运瓶颈,这种瓶颈先前减少了营养物从血管系统向根部快速生长的组织的向外移动。

PLM特别作用于韧皮部极周(PPP)和内胚层细胞之间的界面,内胚层细胞是卸载后物质径向运动的重要界面。去除PLM基因活动可以使植物更快速有效地将营养物质运输到需要的地方。“

由于卸载增加,突变植物的根长得更快更长。

进一步的分子和遗传学研究还表明,PLM参与鞘脂的生物合成,鞘脂是一类与植物发育和环境反应相关的脂质。虽然拜耳博士的团队之前已经证明胞间连丝的膜富含鞘脂,但这是首次将鞘脂与胞间连丝功能联系起来的研究。

下一步是确定PLM如何影响细胞间电导率。研究小组研究了PLM是否影响了胞间连丝密度 - 事实并非如此。研究小组还证实,PLM并未改变胼deposition质积累,这是唯一众所周知的胞间连丝通透性调节因子。

Helariutta集团的第二作者和博士生Andrea Paterlini前往法国与拜耳博士合作,仔细研究PLM是否会影响胞间连丝结构。他们使用电子断层扫描技术创建纳米级通道的3D地图。

Paterlini说:“这使我们能够检测到胞间组织结构的细微改变。我们在plm突变体和野生型植物中发现了相同比例的简单和分枝胞间连丝。但是,没有PLM的植物只有I型胞间连丝(参见注释),而不是通常发现的两种类型。

“以前的模型假设细胞质套管的大小(胞质网与质膜中质膜之间的间距)与运输能力正相关。我们的论文结果对此进行了挑战,并表明I型胞间连丝,非常窄细胞质套管,实际上比II型胞间连丝更具传导性,它具有开放的细胞质套管。“

Helariutta教授说:“基因功能(脂质生物合成)与胞间连丝超微结构改变之间的相关性很可能是由于胞间连接组织中质膜与内质网分离的结果缺陷造成的:结果在具有突变的PLM基因的植物中缺乏可见的细胞质套管的大多数胞间连丝中。

“对于未来的研究仍有许多新的问题需要回答,例如,缺乏细胞质套管的胞间连丝如何以及为何具有较高的运输率以及鞘脂的代谢如何与PLM的功能机械相关。

“然而,这项研究提高了我们对调节植物养分转移因子的认识。迫切需要开发具有提高营养效率的作物,既减少肥料的使用,又增加作物的产量。我们最终可能使用有关营养物质运输的信息,可以更有效地分配各种器官之间的营养物质,并将茎叶中的营养物质直接输送到水果和贮藏器官。“

背景

Plasmodesmata:细胞间转运通道

Plasmodesmata是纳米级膜衬里通道,其穿过细胞壁屏障以将植物细胞连接在一起并且基本物质可以通过所述通道传播。通过胞间连丝的细胞到细胞的有机营养物和信号的运输在植物生长和发育以及疾病和抗逆性中起重要作用。

结构体

在新细胞中形成的原代胞间连丝是窄的单通道结构,而在较老的组织中形成的二级胞间连丝倾向于更宽的分支结构。然而,胞间连丝不是简单的孔 - 它们是动态结构,根据尺寸排除原则控制分子能够或不能在细胞之间传递。它们由质膜(PM)衬里,并含有内质网(ER)膜的管状链。这两种膜之间的间隙称为细胞质套管。以前的模型假设ER和PM之间的间距与渗透率之间存在直接联系,较大的间隙更具导电性。

类型

Nicolas等人在2017年提出了一种基于ER和PM之间距离描述胞间连丝的新分类系统.I型胞间连丝呈现出这种紧密相连的膜,两者之间没有可见的细胞质空间(窄袖)。相反,II型胞间连丝具有明显的ER-PM间隙(开套)。尽管没有袖子(被认为是传统模型中的运输路线),但I型被证明允许分子通过。这项最新研究不仅支持这一点,而且还表明I型胞间连丝比II型更具传导性。

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