科学家将植物发育与表现与其如何感知光线联系起来

密歇根州立大学的研究人员揭示了植物调节自身生长的一种令人惊讶的新机制——这种机制直接将植物的发育与它们如何感知光线联系起来。科学家们发现，植物在光照条件下调整生长的方式有了全新认知，这项发现有望帮助作物应对各种严峻的环境挑战。

研究首次显示，一种通常与植物代谢相关的化合物能够“重编程”另一种感知光的蛋白质。这一意外联系标志着揭开植物分子机制的重要进展。

“未来这种机制或可被利用来微调植物的生长、发育和应激响应。”密歇根州立大学研究基金教授Erich Grotewold，也是最新研究论文的作者之一表示。“这将有助于作物提高对光胁迫的耐受性，更高效地利用光能，而不是仅依赖环境改造。”

虽然植物需要阳光，但过度暴晒可能有害，强光甚至能对植物造成类似晒伤的损伤。为了自我保护，植物会生成天然“防晒”分子——如类黄酮和色素。这些特殊化合物不仅能防御害虫或吸引授粉者，也为植物在竞争中提供进化优势。

起初，Grotewold团队一直在研究一种模式植物——拟南芥的突变体，这些突变体无法产生一种重要的类黄酮酶。在实验过程中，研究者们注意到某一类型的突变体，在特定光线下生长出现严重问题，而野生型和其他突变体在同样条件下则健康。

问题根源在于一种叫做柚皮素查耳酮（naringenin chalcone， NGC）的化合物。正常情况下，这种分子是类黄酮合成代谢过程中的中间产物。但由于该突变体缺失了合成路径上的关键酶，NGC在植物细胞内逐渐积累。

明确了导致生长缺陷的分子后，团队开始探索更深层次的生化谜团：原因到底是什么？

通过构建并培养数千种不同的拟南芥突变体于高光胁迫环境下，科学家们发现有少数植物能正常生长。这些植株有一个共同点：它们的UVR8基因发生了突变。UVR8通常是感知紫外光的蛋白质。

通过一系列生化实验，Grotewold实验室发现，NGC能直接与UVR8发生物理作用，“重编程”了这一光敏受体，即使没有紫外光，也会激活其向植物发送生长调节信号。此前，这种联系尚未被发现。

“我们意外发现，萝蔓素查尔酮这样的代谢中间产物，竟然能够直接调节像UVR8这样的光敏蛋白的功能。”该论文第一作者、原Grotewold组成员、现任夏威夷大学助理教授Nan Jiang解释说。“这种专化代谢与光受体信号之间的‘跨界对话’，让我们对植物如何整合代谢状态与环境感知有了全新思考。”

在植物生理学中，可将UVR8比作剧中的演员，把NGC视为幕后工作人员。NGC确保演出顺利进行，而UVR8只在紫外线（UV-B）出现时才响应。如今，研究显示，这位“幕后”开始影响“主角”的表现。

更巧的是，Grotewold不必远寻就能了解到更多UVR8的信息。就在密歇根州立大学生物化学与分子生物学系楼里，同事Robert Last正是首位成功分离UVR8蛋白的科学家。

“二十年前，UVR8是植物里最后一个被发现的光受体，专门感知紫外线B。”Last教授回忆道，“如今发现如此新奇、意外的相互作用，真是让人感到震撼与有趣。”

团队最新研究正在重新塑造我们对植物感光机制和生长之间复杂化学调控的认识。

至于为何会有这种分子关系，Grotewold认为这是植物将光信号更有效融入发育过程的一种方式。

“如果你只用UV光照射植物且没有其他光，几乎会致命——但如果在白光背景下让UV强度增加百倍，植物反而能妥善应对。”Grotewold解释道。“我们认为NGC正是在帮助植物将光信号与发育信号进行整合。”

展望未来，这些成果将推动对“光调控”作物改良的探索。通过改变植物感知光和合成特定化合物的能力，作物有望在低光、极端环境下更高效生长，甚至对有害病原体做出更佳响应。

“这项工作揭示了全新的调控层次。”Jiang说道，“它显示植物利用小分子不仅仅作为终产物或防御物质，也能作为信号介质，精细调整诸如生长与发育等关键生理反应。”

编译自/scitechdaily