研究介紹 極端的溫度、鹽脅迫和乾旱脅迫對糧食安全造成嚴重威脅。 面對不斷變化的外界環境,固著生長的植物進化出了內源的生物鐘系統。 生物鐘系統使植物能夠利用內部的生理生化網路來預測外部的環境變化進而提高植物對環境的適應性。 近期,來自中國科學院植物研究所的王雷團隊在 Biology 期刊上重點總結了作物的生物鐘系統如何協調對非生物脅迫的響應和作物產量,並展望今後如何利用生物鐘系統精準的“支出” (應對非生物脅迫所需的能量) 和“回報” (作物產量) 機制以實現更高的作物產量 (圖 1)。 圖 1. 作物生物鐘系統平衡非生物脅迫響應和產量 主要內容 1、作物生物鐘系統參與調控高溫和低溫脅迫 目前發現植物約 50% 的熱響應基因和 40% 的冷響應基因受到生物鐘的控制,表明生物鐘廣泛參與溫度脅迫響應【1】。 水稻生物鐘基因 OsLUX 被證明在低溫脅迫中發揮正調控作用。 油菜和甘薯中的生物鐘基因 GI 對多種非生物脅迫,包括鹽脅迫和冷脅迫起作用。 其他生物鐘基因如 CCA1、PRRs、ELF3 等也會參與作物的溫度脅迫響應過程【2】。 2、作物生物鐘系統參與協調鹽脅迫響應和開花時間控制 不斷擴增的鹽堿地面積加劇了糧食危機。 水稻生物鐘核心組分 OsPRR73 被證明是鹽脅迫的正調控因子,此外 OsPRR73 還具有水稻開花抑制的作用【3】。 由 OsELF4a、OsELF3-1 和 OsLUX 組成的水稻生物鐘晚間複合體 OsEC1 被證實在耐鹽性和開花時間調控中發揮重要作用【4】。 另一核心生物鐘組分 OsCCA1 也被確定為鹽脅迫訊號響應的核心樞紐,此外 OsCCA1 也是開花促進因子【5】。 上述生物鐘組分在平衡非生物脅迫和決定開花時間中均發揮重要作用,二者共同決定水稻產量形成 (圖 2)。 圖 2. 水稻生物鐘系統參與調控鹽脅迫響應和抽穗期的工作模型 3、作物生物鐘系統參與乾旱脅迫響應 水稻生物鐘成分 OsCCA1 透過 ABA 訊號通路賦予抗旱性,累積的 ABA 也會影響生物鐘調控的開花程序。 大豆中,乾旱脅迫抑制了生物鐘基因的表達,包括 LCL1s、GmELF4 以及 PRRs。 大豆生物鐘基因 GmPRR3 可以與 GmPRR7 和 GmTOC1 協同作用,實現乾旱脅迫響應。 另一生物鐘基因 GmLHY 則會透過 ABA 訊號通路負調控大豆的乾旱脅迫響應【6】。 乾旱脅迫還會誘導玉米生物鐘基因 ZmCCA1 的表達,以增加對乾旱脅迫的耐受性【7】。 研究總結 植物的生物鐘扮演著類似於“聰明的商人”的角色,精確地分配有限的資源,協調植物完成全生命週期。 然而,關於生物鐘訊號與脅迫反應之間訊號互作的許多細節仍有待解決。 本文為作物生物鐘系統在平衡非生物脅迫適應和產量之間提供了新的視角並有助於未來的分子設計育種工作。 本綜述的通訊作者是中國科學院植物研究所王雷研究員,第一作者為中國科學院植物研究所在讀博士生徐航,該論文的發表受到了國家鹽堿地創新中心院士工作站專項經費的資助。 參考文獻 【1】Covington, M.F.; Maloof, J.N.; Straume, M.; Kay, S.A.; Harmer, S.L. Global transcriptome analysis reveals circadian regulation of key pathways in plant growth and development. Genome Biol. 2008, 9, R130. 【2】Huang, P.; Ding, Z.; Duan, M.; Xiong, Y.; Li, X.; Yuan, X.; Huang, J. OsLUX Confers Rice Cold Tolerance as a Positive Regulatory Factor. Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 6727. 【3】Wei, H.; Wang, X.; He, Y.; Xu, H.; Wang, L. Clock component OsPRR73 positively regulates rice salt tolerance by modulating OsHKT2;1-mediated sodium homeostasis. EMBO J. 2021, 40, e105086. 【4】Wang, X.L.; He, Y.Q.; Wei, H.; Wang, L. A clock regulatory module is required for salt tolerance and control of heading date in rice. Plant Cell Environ. 2021, 44, 3283–3301. 【5】Wei, H.; Xu, H.; Su, C.; Wang, X.; Wang, L. Rice CIRCADIAN CLOCK ASSOCIATED 1 transcriptionally regulates ABA signaling to confer multiple abiotic stress tolerance. Plant Physiol. 2022, 190, 1057–1073. 【6】Li, M.; Cao, L.; Mwimba, M.; Zhou, Y.; Li, L.; Zhou, M.; Schnable, P.S.; O’Rourke, J.A.; Dong, X.; Wang, W. Comprehensive mapping of abiotic stress inputs into the soybean circadian clock. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 23840–23849. 【7】Tian, L.; Zhao, X.; Liu, H.; Ku, L.; Wang, S.; Han, Z.; Wu, L.; Shi, Y.; Song, X.; Chen, Y. Alternative splicing of ZmCCA1 mediates drought response in tropical maize. PLoS ONE 2019, 14, e0211623. 原文出自 Biology 期刊 Xu, H.; Zuo, Y.; Wei, J.; Wang, L. The Circadian Clock Coordinates the Tradeoff between Adaptation to Abiotic Stresses and Yield in Crops. Biology 2023, 12, 1364. DOI: 10.3390/biology12111364 Biology 期刊介紹 期刊主要涵蓋細胞生物學、發育生物學、進化生物學、生物化學與分子生物學、微生物學等所有生物領域。 2023 Impact Factor: 3.6 2023 CiteScore: 5.7 《中國科學院植物研究所:生物鐘平衡作物非生物脅迫響應和產量形成——綜述_基因_系統_調控》完,請繼續朗讀精采文章。 喜歡 科學報 cn-n.net,請記得按讚、收藏及分享。
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中國科學院植物研究所:生物鐘平衡作物非生物脅迫響應和產量形成——綜述_基因_系統_調控
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