我們都知道，當(dāng)植物缺水時(shí)，它們的葉子會枯萎，它們開始看起來干干的。但是在分子水平上發(fā)生了什么呢？

最近，美國索爾克研究所的科學(xué)家們，在這個(gè)問題的答案上實(shí)現(xiàn)了重大飛躍，這對于幫助農(nóng)作物適應(yīng)干旱及其他氣候相關(guān)壓力源，是至關(guān)重要的。

最新的研究表明，在面對環(huán)境困境時(shí)，植物會使用一小組蛋白質(zhì)作為“指揮員”，來管理它們對壓力的復(fù)雜響應(yīng)。這些結(jié)果發(fā)表在11月4日的《Science》雜志，可能有助于開發(fā)新的技術(shù)，來優(yōu)化植物中的水分利用。

本文資深作者、霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員、索爾克研究所基因組分析實(shí)驗(yàn)室主任Joseph Ecker教授指出：“在分子水平上，植物對一個(gè)壓力源的反應(yīng)，是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，涉及到數(shù)百個(gè)基因。我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了這一分子事件中的關(guān)鍵指揮者，這可能為幫助植物更好地耐受壓力提供了線索，例如面臨氣候變化的干旱。如果你能控制這些導(dǎo)體中的一個(gè)，你就能控制所有它引導(dǎo)的基因。”

植物如何很好地應(yīng)對壓力，可能取決于它是生存并茁壯成長，還是屈服于脅迫。正如同人類有腎上腺素這樣的激素，幫助我們應(yīng)對威脅，植物也有一些關(guān)鍵的激素，讓它們在其生存的環(huán)境中應(yīng)對壓力。其中一種激素是脫落酸（ABA），這種植物激素參與種子發(fā)育和水分優(yōu)化。

當(dāng)水分稀缺或鹽度高的時(shí)候，根和葉會產(chǎn)生ABA。雖然激素被理解為可影響植物的應(yīng)激反應(yīng)，但是科學(xué)家們對于“它被釋放后總體水平發(fā)生了什么事情”還知之甚少。

本文第一作者、索爾克研究所植物生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Liang Song指出：“只有幾十個(gè)調(diào)節(jié)蛋白決定著數(shù)百乃至數(shù)千個(gè)基因的表達(dá)。通過了解這些主調(diào)節(jié)因子是什么，以及它們?nèi)绾纹鹱饔?，我們可以更好地理解并潛在地調(diào)節(jié)應(yīng)激反應(yīng)。”

在他們的研究中，索爾克研究所的科學(xué)家們實(shí)時(shí)跟蹤了植物響應(yīng)ABA的基因活動(dòng)變化，并識別了這些主蛋白（控制著對一系列外部壓力——包括干旱——的響應(yīng)）中的少量蛋白。該研究團(tuán)隊(duì)使用一種技術(shù)，映射出這些調(diào)節(jié)蛋白與DNA結(jié)合的位置，定義了協(xié)調(diào)基因表達(dá)的關(guān)鍵因子，從而允許對正在改變的條件產(chǎn)生一個(gè)有效的細(xì)胞反應(yīng)。

Salk團(tuán)隊(duì)專注于已知響應(yīng)ABA的候選調(diào)節(jié)蛋白。他們將參考植物擬南芥的3日齡幼苗暴露于脫落酸，并在固定的時(shí)間點(diǎn)上檢查基因表達(dá)，總共超過60個(gè)小時(shí)。

在這個(gè)過程中，他們收集了122個(gè)數(shù)據(jù)集，涉及33602個(gè)基因，其中3061個(gè)基因是在至少一個(gè)時(shí)間點(diǎn)中不同水平上表達(dá)的。數(shù)據(jù)的分析顯示了一個(gè)層次結(jié)構(gòu)的控制，一些調(diào)控蛋白被列為基因表達(dá)最重要的貢獻(xiàn)者。有趣的是，在一個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)上蛋白結(jié)合模式的快照，可以在很大程度上解釋“大的時(shí)間跨度上的基因表達(dá)”?？傊?，這些動(dòng)態(tài)顯示出，對環(huán)境觸發(fā)因子有一個(gè)協(xié)調(diào)的全基因組響應(yīng)。

Song說：“有了這個(gè)網(wǎng)絡(luò)視圖，我們可以看到，這些組件中的一些，是由相同的主調(diào)節(jié)蛋白靶定的，這表明精確和協(xié)調(diào)的遺傳控制。這對于農(nóng)業(yè)用途可能是重要的，因?yàn)檎{(diào)節(jié)一個(gè)基因反過來可能會刺激或抑制另一組基因，從而讓我們?nèi)娴脑O(shè)計(jì)干預(yù)措施。

這些結(jié)果反映了2013年Ecker實(shí)驗(yàn)室對植物激素乙烯的研究，表明這種協(xié)調(diào)的和遞階的遺傳活性控制，可能在開花植物中是很常見的。