作者: 张天真等 来源:《国家科学院院刊》 发布时间:2019/3/19 17:43:55
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科学家揭示种子有感而“发”的秘密

 

今年1月初,一粒棉花的种子创造了奇迹。它在登陆月球背面的月球车上,倔强地发芽了,由此也成为第一种在外星球成功萌发的植物。

种子是如何感知环境并发芽的?最近,浙江大学农学院教授张天真课题组在棉花中找到一种名为HSP24.7的小分子“开关”,它能直接感知环境温度并调控种子的萌发。如果缺少这个蛋白,即使周围温暖和煦,棉花仍会像置身于低温一样继续“沉睡”。

相关论文于今年2月在美国《国家科学院院刊》杂志上发表。业内专家认为,这一发现为人类认识植物温度响应的分子机制掀开了一角,在作物种子生产、保存和育种中都具有重要的应用意义。

寻找棉花耐力相关的基因

棉花种子是世界上最有“耐力”的选手之一。作为起源于非洲和中美洲的热带植物,经过数千年的演化,棉花的足迹已经遍布亚洲、南美洲、北美洲等地。当年哥伦布在加勒比海地区发现棉花的时候,理所当然地认为这是到达亚洲海岸的另一证据;达尔文随英国皇家海军舰艇贝格尔号考察达加拉帕戈斯群岛,也带回了野生的棉花标本。科学家因此推测,棉花种子具有“随风飘动,随波逐流”的本领,可实现跨越数百公里的全球传播。

“由于棉花具有耐寒、耐盐、耐旱等性质,所以才使长途水陆‘旅行’成为可能。”论文共同作者之一、浙江大学“百人计划”学者关雪莹说。

该课题组试图寻找与棉花耐力相关的基因,以用于作物精准育种。而在实验中,浙江大学博士后马卫惊奇地发现,一批棉花种子明显“抢跑”了:正常情况下,棉花种子在吸足水分后24小时开始萌发,但是其中一组的时间量几乎提前了一半,在12小时的时候就陆续萌发了。

众所周知,温度、光照、水分是决定植物种子萌发的重要外因。但是,这些外因如何被植物感知,并启动一系列体内反应,相关的分子机制依然模糊。

发现种子萌发快慢的“暗门”

通过一系列实验,课题组发现“抢跑”的种子确实不一样,它们体内一个小分子热激蛋白HSP24.7的含量特别高。实验中,科学家发现,调整HSP24.7的表达量,似乎就能调控种子对环境温度的感应。如果抑制棉花的HSP24.7表达,即使温度适宜,种子也像一直处于低温环境一样,萌发缓慢。而如果HSP24.7出现活跃表达,棉花种子则迅速萌发,即使在低温时也可以迅速完成。“它可能是植物的温度感受器。”关雪莹说。

张天真介绍,实验进一步发现,HSP24.7通过调控线粒体的活性完成温度响应。HSP24.7含量升高,可以让线粒体产生更多活性氧,从而加速种子萌发。

马卫解剖了来自不同萌发时期的棉花种子,试图“分镜头”解析种子萌发的全过程。他发现了另一“暗门”——胚乳膜。“这是种子萌发关键机械束缚,HSP24.7控制种子萌发速度快慢,并不是胚的活力差异造成的,而是胚乳膜的强度。”他说。

让棉花“统一步调”

至此,植物感受温度并控制种子萌发速度的机制终于有了一个清晰的途径:HSP24.7感受到适宜的温度时大量表达,适度抑制线粒体活性,释放活性氧,促成了胚乳膜内关键组分的降解,胚乳膜强度减小,种子顺利萌发。“我们还在拟南芥和番茄种子中做了相关实验,发现这一机制在双子叶植物中是普遍适用的。”张天真说。

种子萌发是植物生命周期开始的第一步。作为人类最为重要的农作物之一,人们希望田里的棉花能“统一步调”,高效地实现同步采收,而这也是农作物精准育种的目标之一。“当我们知道植物感知温度的分子机制,可以更好地用于棉花育种。”张天真说。

他介绍,我国是棉花种植大国,全国70%的棉花产量来自于新疆。种子温度响应机制的发现,将进一步指导人们怎样在低温、干旱、盐碱地种出更好的棉花。(来源:中国科学报 崔雪芹  周炜)

相关论文信息:DOI:10.1073/pnas.1815790116

 
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