氣候變遷目前正在影響農業生產力，最終可能對全球糧食安全構成相當大的風險。開發抗逆性更強、能夠抵禦乾旱或土壤鹽度升高等條件的作物已成為當務之急。南加州大學凱克醫學院的一項新研究得到了美國國立衛生研究院的部分資助，該研究揭示了植物如何調節其對壓力反應的細節，這些細節可能對這些努力至關重要。

研究人員發現，植物利用它們的晝夜節律鐘來應對一天中外部水分和鹽分水平的變化。同樣的迴路–由一種名為ABF3 的蛋白質控制的優雅回饋迴路–也有助於植物適應乾旱等極端條件。這些研究成果最近發表在《美國國家科學院院刊》。

“關鍵是植物被困在原地。它們無法跑來跑去喝水。它們不能隨心所欲地移動到陰涼處，也不能遠離鹽分過高的土壤。正因為如此，它們才進化到利用晝夜節律來精確測量和適應環境，”該研究的資深作者、凱克醫學院神經學、生物醫學工程和定量計算生物學的大學和教務長教授、南加州大學米切爾森聚合生物科學中心主任史蒂夫-A -凱（Steve A. Kay）博士說。

擬南芥幼苗表達晝夜節律時鐘報告基因對水脅迫反應的生物發光圖像”。圖片來源：南加州大學童亮博士/凱實驗室

凱的實驗室長期致力於研究晝夜節律時鐘蛋白在植物和動物中的作用。晝夜節律調節生物變化的時鐘蛋白可能為作物工程的一個持續挑戰提供了一個精明的解決方案。培育抗旱植物非常困難，因為植物會透過減緩自身的生長和發育來應對壓力–過度的壓力反應意味著植物表現不佳。

“在提高植物抗逆性的同時，還要最大限度地提高其生長和產量，這兩者之間存在著微妙的平衡，”凱說。”氣候變遷使解決這一難題變得更加緊迫。”

尋找回饋迴路

先前的植物生物學研究表明，時鐘蛋白調控著植物中約90% 的基因，是植物對溫度、光照強度和晝長（包括決定植物何時開花的季節性變化）做出反應的核心。但一個懸而未決的大問題是，時鐘蛋白是否以及如何控制植物處理不斷變化的水和土壤鹽度的方式。

為了探索這種聯繫，凱和他的團隊研究了擬南芥。擬南芥是一種常用於研究的植物，因為它個頭小、生命週期快、基因組相對簡單，而且與許多農作物有共同的性狀和基因。他們創建了一個包含2000 多種擬南芥轉錄因子的文庫，這些轉錄因子是控制基因在不同環境下表現的蛋白質。轉錄因子可以提供有關生物過程調控的關鍵資訊。然後，研究人員建立了一個數據分析管道，對每個轉錄因子進行分析並尋找關聯。

凱說：”我們得到了一個非常大的驚喜：時鐘調控的許多基因都與乾旱反應有關，尤其是那些控制脫落酸激素的基因，脫落酸是植物在水位很高或很低時產生的一種脅迫荷爾蒙。”

分析表明，脫落酸水平受時鐘蛋白和轉錄因子ABF3 的控制，這就是凱所說的”同態反饋迴路”。在一天的時間裡，時鐘蛋白調節ABF3，幫助植物應對不斷變化的水位，然後ABF3 將訊息回饋給時鐘蛋白，以控制壓力反應。當條件變得極端時，例如乾旱期間，同樣的循環有助於植物適應。遺傳數據也揭示了處理土壤鹽度變化的類似過程。

這種迴路的真正特別之處在於，它能讓植物在對外在壓力做出反應的同時，控制住自身的壓力反應，進而繼續生長發育。

改造更好的作物

研究結果指出了兩種可能有助於提高作物抗逆性的新方法。農業育種者可以在晝​​夜節律ABF3迴路中尋找並選擇天然存在的遺傳多樣性，這種多樣性能讓植物在應對水和鹽分脅迫時略勝一籌，即使抗逆性略有提高，也能大幅提高作物產量。

凱和他的同事也計劃探索基因改造方法，利用CRISPR來設計促進ABF3的基因，從而設計出高度抗旱的植物。這可能是在思考如何調節作物植物以提高其抗旱性方面的一個重大突破。

編譯來源：ScitechDaily