科普创作

【科普创作】研究揭示植物再生的伤口信号转导机制

录入:平顶山市科技局  www.pdsti.cn   2019-05-08 16:07:44   人气:

来源:《自然—植物》

作者:徐麟等
强大的再生能力是植物适应严酷环境所必需的生存技能之一。受伤离体的枝条或叶片掉落在湿润的土壤表面后,能够在伤口处快速再生不定根,继而生存下去。“受伤”是引发再生的原因,但伤口信号如何控制再生,目前知之甚少。
近日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所研究员徐麟团队联合南通大学、美国佐治亚大学、中科院上海有机化学研究所等机构,揭示了植物再生的伤口信号转导机制,相关研究结果4月22日发表于《自然—植物》。
再生体系“无心插柳柳成荫”
植物再生是指植物受到伤害后,可以进行自我修复或自我替换(再生出各种器官)的过程,它是一种自然现象。徐麟在接受《中国科学报》采访时表示:“植物再生与动物的再生能力很像,如壁虎断尾、皮肤伤口愈合等。有些时候,植物的再生能力比动物还要强大。”
折下一枝柳条,插在土壤里,它可以长成一颗柳树。“这是因为在这枝插到土壤中的柳条的伤口基部,会长出很多根,长了根的柳条就会生存下去,这就是根再生。”徐麟指出,将这种根再生的现象运用到农业技术中,就是扦插。
因此,研究人员利用植物根再生的特性,建立了有效的再生体系。将模式植物拟南芥的离体叶片放置于湿润的、不添加外源激素的培养基表面,完全依靠离体叶片内源激素,可以在伤口处自发再生不定根。
“该再生体系再生效率高、不添加任何激素、便于观察,是研究伤口信号转导的有效再生体系。”徐麟说。
华中农业大学生命科学技术学院教授赵毓告诉《中国科学报》,合适的植物材料和有效实验体系的选用对研究植物再生机制来说非常重要。“本研究所用的再生体系相对简单且操作方便,培养基比较单纯,可以很明显地观察植物再生过程中的结构层次,是发现植物再生相关机制的关键基础。”
 
多肉植物的再生 徐麟供图
 
伤口信号的“待命”、激活和关闭
徐麟介绍,研究植物再生现象非常重要的一个科学问题是“为什么伤口是激发再生现象的主要动力”。
伤口是一把“双刃剑”,一方面,伤口可能对植物产生致命伤害;另一方面,伤口也会激发生命体继续存活下去的意志。“因此,植物为抵抗伤口,一定会释放一种信号,激发再生过程。”徐麟说。
以拟南芥离体叶片再生体系为研究模型,研究人员发现,伤口产生后,叶片内部会暴发一种重要的伤口激素——茉莉素。茉莉素能够通过一系列的分子转导机制并协同表观遗传调控机制,激活生长素的合成,促进叶片中生长素的积累。高浓度生长素可以促使伤口处干细胞命运转变为根的细胞,从而发育成不定根。
“其实,在伤口产生之前,植物体就处于随时“待命”的状态。因为伤口信号转导的过程非常迅速,几分钟到两个小时之内必须完成。”徐麟补充。
这个“待命”的状态受表观遗传调控机制所控制。在伤口产生前,生长素合成通路重要基因ASA1被表观修饰,使ASA1处于“待命”状态。伤口产生10分钟内,叶片快速积累茉莉素,并在2小时内开启激活生长素合成的分子通路。
值得一提的是,研究人员还发现,过强的伤口信号会抑制根再生过程。产生伤口2小时后,茉莉素会在离体叶片中消失,从而关闭伤口信号转导。
 
伤口信号“待命”、开启、关闭示意图 徐麟供图
 
利用“伤口”服务“再生”
很早以前,人们就开始在农业技术中利用植物再生,如组织培养、扦插、嫁接等。这些技术方法都是利用植物的再生现象,扩大或加速植物繁殖,同时又能保持繁殖体原有的优良品质。
据介绍,植物再生的伤口信号转导是新兴领域,目前对其认识仍然有限。伤口不仅可以促进离体叶片产生生长素,也能影响再生干细胞重编程。
“因此,只有了解了植物再生现象及其背后的分子机制,我们才能进一步改良再生方法,革新相关农业技术。”徐麟告诉记者。
此外,赵毓认为,伤口信号转导机制的研究对药用植物栽培、观赏园艺、保护稀有品种、农业生产等同样具有重要意义。
“比如在培育药用植物时,子代繁殖通常会造成有效成分含量降低,而再生体系的应用使药用植物始终是亲代繁殖,保证了有效成分的水平。”赵毓说。
徐麟表示,下一步课题组希望在理论方面,能够全面构建植物再生信号转导的分子网络,在此基础上,尝试利用伤口信号改进植物再生技术。(来源:科学网 辛雨)
 


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