作者:王方 来源: 中国科学报 发布时间:2019-7-23
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因为甜蜜 所以衰老

李晨摄

 

美国克莱姆森大学一支研究团队在谷类作物衰老的遗传学方面取得了突破。在气候变化时代,这可能对未来粮食安全产生巨大影响。

“衰老意味着‘细胞或器官在其所属生物体中的死亡’。它几乎无处不在。”Rajan Sekhon是一名植物遗传学家。他作为主要作者撰写的研究论文发表在《植物细胞》上,探索了玉米和其他谷类作物衰老过程中鲜为人知的遗传结构。

当秋天天气变化,树木“意识”到自己不能支撑叶子时,就会“杀死”它们,结果便是叶子在变色后枯萎。从树叶中获取的能量则储存在植物的树干或根部,用于明年春天快速繁殖树叶。衰老对树木来说非常有意义。

对于其他一些可食用植物,特别是像玉米、水稻和小麦这样的谷类作物来说,情况又如何?

“农民对这些作物照料得非常仔细,并以化肥的形式提供过量营养,所以叶子不是过早死亡,而是通过光合作用继续制造粮食。了解玉米等作物衰老的触发因素意味着科学家可以通过改变植物的方式使饥饿的世界受益。”Sekhon解释说。

在他看来,如果能减缓衰老,便可以让植物在更长的时间内保持绿色。这些被称为“永葆绿色”的植物名副其实:绿色时间更长、产量更高,面对干旱和高温等环境因素时更有抗性。

尽管植物育种家一直在选择那些延迟衰老的植物,但却不完全了解衰老是如何在分子水平上起作用的。

衰老是一个复杂的性状,受多种内外因素影响、多种基因共同作用的调控。因此,现成的遗传方法并不能完全揭开这个过程。Sekhon团队的新突破是应用系统遗传学方法的结果。

研究人员研究了玉米绿色性状的自然遗传变异。这个过程包括种植400种不同类型的玉米,每种玉米都在基因上彼此不同,然后测量它们的衰老程度(即表型)。此后,研究人员将每一个玉米自交系的基因型与其表型联系起来,以确定64个可能导致衰老的候选基因。

Sekhon说:“实验的另一部分是利用一种绿色植物和一种非绿色植物,观察大约4万个基因在衰老过程中的表达。”研究人员每隔几天检查一次样本,并判断在特定时间段内哪些基因得到了表达。他们识别了600多个基因,它们似乎决定了一种植物是否会保持绿色。

研究中的一个大问题是假阳性的出现,因此,研究人员不得不用一种新方法,将两个大型实验的结果仔细地结合起来,以确定一些高置信度的靶基因。这些靶基因可以作进一步测试,以确认它们在衰老中的作用。他们结合数据集,再将其缩小到14个候选基因,并最终确定了两个基因。

“最显著的发现之一是糖似乎决定衰老。”Sekhon表示,当糖没有从通过光合作用产生它们的叶子上移开时,糖分子开始发送信号启动衰老“开关”。

并非在植物中发现的所有糖都能发出信号。研究人员在研究中发现的一个基因似乎可以将叶细胞中的复杂糖分解成更小的糖分子——六碳醣,如葡萄糖和果糖,它们具有传递衰老信号的能力。

“我们发现糖的分配是衰老的关键因素。这对粮食安全的影响极大。植物生产的糖应该被转移到可以用作食物、养活更多人口的各种器官上,如种子,而不是停留在叶子上,它在那里开始衰老并停止了所有合成过程。不过,有些植物会先‘填充’种子,然后再‘填充’其他部分,至少可以在茎干或秸秆中储存额外能量。”Sekhon说。

收获谷物种子后,秸秆可用作动物饲料或生物燃料。随着粮食和能源需求的增加,人们对发展既能提供粮食又能提供秸秆的“两用作物”的兴趣越来越大,因为每株植物产生的总能量更多。

农田正变得稀缺,研究植物衰老的重要性上升。该研究鉴定的基因可能在其他谷类作物,如水稻、小麦和高粱中也具有同样的功能。Sekhon表示,下一步将用突变体和基因编辑研究这些基因的功能。(王方编译

相关论文信息:https://doi.org/10.1105/tpc.18.00930

《中国科学报》 (2019-07-23 第5版 农业科技)
 
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