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新的研究成果为培育抗热、抗旱能力更强的作物提供了线索
日期:2018-12-04 作者:编译:龚晶 来源:农科智库 点击:
     据宾夕法尼亚州立大学(Penn State)的研究人员表示,高温胁迫可能会触发植物RNA即核糖核酸发生反应。核糖核酸为细胞遗传讯息系统的一部分,能帮助管理细胞环境中发生的变化反应。
    研究人员有一次在研究水稻时发现,温度的突然上升会导致水稻的RNA结构发生变化,这与信使RNA(即mRNA)损失的数量密切相关。mRNA分子是RNA的一种特殊类型,负责在形成蛋白质的过程中将DNA指令传输至细胞的核糖体。
    埃伯利理学院(Eberly College of Science)获得沃勒教授职位(Waller Professor)的生物学教授莎拉·阿斯曼(Sarah M. Assmann)表示,因为植物和人类一样不能自我调节温度,或者远离热源,那么以上过程可能就是植物在高温或者干旱的环境下的应对方式。
    研究人员于11月5日将研究结果发布于《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences),他们表示虽然还需要进行进一步的研究,不过该项研究可能跨出了重要的第一步,帮助农民生产出抗高温、抗干旱能力更强的作物。
    “对于全世界一半的人口来说,水稻是他们的主食,对某些地区的自给农业来说尤其重要,所以总的来说水稻是一种维持生命所必须的粮食作物,”阿斯曼说道,“但是随着气候变化越来越严重,以及我们要增加粮食产量来喂养全世界越来越多的人口,我们一直在努力试着弄懂植物是怎样应对环境胁迫因素的,这样我们以后才可能通过育种机制或其他方法改进作物品种,生产出更能适应环境胁迫的作物,提高产量。”
    宾夕法尼亚州立大学化学及生物化学和分子生物学(Biochemistry and Molecular Biology)杰出教授(Distinguished Professor)菲利普·贝维拉卡(Philip Bevilacqua)表示,研究人员分析调查了一万四千多种不同的RNA,想要在分子复杂的折叠结构中找到发生的变化,这可能就暗示着急性热胁迫。DNA分子结构为相互交织的双链结构或双螺旋结构,而RNA则是单链结构。
    “由于DNA有两条单链,因此包含的折叠很少,但是RNA只有一条单链,能够进行自我折叠,所以RNA的折叠要更多更复杂。”贝维拉卡说道。
    研究人员为了创造热胁迫,把一组两周大的水稻秧苗置于超出正常温度的环境中(108华氏度)十分钟,然后与处于72华氏度环境中的控制组水稻秧苗进行比较。
    贝维拉卡解释说:“我们之所以就放了十分钟是因为RNA的再折叠过程其实发生得很快,而下游的一些过程比如蛋白质的合成就比较慢,我们比较感兴趣的是RNA是怎么再折叠的。”
    研究人员发现,如果作物遭受热胁迫,其RNA的折叠过程就会比控制组作物的折叠过程更为松散,接着mRNA的展开就会与mRNA丰度损失的部分产生关联。这也就表明mRNA的展开会促使其自身的降解,这也是细胞调控哪些基因在何时进行表达的一种方法。
    “我们发现那些试图在末端展开的RNA和这些RNA丰度的降低之间有着某种关联,而有了合成蛋白质的RNA密码,我们就可以大致推断出,接下来基因编码蛋白质就会减少,包括酶和所有蛋白质负责实施的多种功能都会减少。”阿斯曼说道。
贝维拉卡表示,这一过程为未来的研究提供了线索,以研发出抗热、抗旱能力更强的作物。
    “因此,如果结构的损失会导致丰度的降低,而这种丰度的降低不是理想的结果,那么你就可以想象到,我们可以改变RNA末端的序列,让这些序列更加稳定,从而让蛋白质的合成更加稳定。”
    该研究的第一作者苏照(音译,Zhao Su)同时表示,这一研究也为基因调控提供了新的视角。
    “这项研究揭示了一个令人兴奋的新发现,也就是有关基因调控的新的层面的理解,以前我们都没有察觉到,”苏说道,“尤其是我们证实了mRNA会对某一特定类型的调控蛋白质、转录因子进行编码,这些mRNA是通过高温展开来进行降解的特定目标。”
    贝维拉卡教授和阿斯曼教授指出,这次研究是首次对RNA过程在植物中或活体内的活动进行分析调查,而这类研究离不开他们各自实验室跨学科团队的共同努力。阿斯曼教授表示,两所实验室的合作已经持续了近十年。
    “我觉得这项研究真正有意思的地方在于,它用上了我们两家实验室各种各样的技能和所有学科的人才,”阿斯曼说道,“这就是科学激动人心的地方。”
    与阿斯曼、贝维拉卡、苏共同参与此项研究的还包括:生物信息学和基因组学研究生唐寅(音译,Yin Tang)、化学研究生劳拉·里奇(Laura Ritchey)、计算生物学博士后大卫·塔克(David Tack)、植物生物学博士后朱萌萌(音译,Mengmeng Zhu)。
    该项目获得了国家科学基金会(National Science Foundation)植物基因组研究计划(Plant Genome Research Program)的资助。
(来源:宾夕法尼亚州立大学  北京市农林科学院农业信息与经济研究所报道)
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