植物也有“生存策略”:水稻具有对干旱环境的"记忆"

植物也有“生存策略”:水稻具有对干旱环境的"记忆"
2019年06月21日 08:19 新浪科技综合

  来源: 中科院之声

  在我们的认识中,动物的记忆是后天习得的本领,不论是听到铃声集中进食,还是对袭击和疼痛的记忆,都是为了更好地生存。而植物作为无法移动的生命体,在人类的生活中,一直是作为精心培育的对象,精控大田、人工温室都是为他们而建。

  最近,中国科学院昆明植物研究所的专家们在国际期刊《遗传学前言》上发表了相关的研究成果,发现水稻具有对干旱环境的“记忆”,并找到了水稻的干旱“记忆”调控网络。

  植物也有“生存策略”

  植物在自然界的生长过程中,会经历多次相同的环境胁迫,为了能够更好地生长,它们也会从先前经历的胁迫环境中吸取经验,以应对后面反复发生的环境胁迫。

  早在1996年,Baldwin和Schmelz在对烟草进行人为添加茉莉酸甲酯处理后,发现烟草尼古丁高峰的形成时间比未经处理的烟草形成时间提前了2小时。而对自然生长中的山桦进行观察,研究者发现经历多年秋蛾侵袭的山桦会产生浓度很高的酚醛类物质抑制蛾蛹的生长。

  从相关的人为处理与自然发生的植物抗逆能力提升的例子中,研究者认识到很多植物也会形成记忆,在经历多次逆境侵袭时会产生提高自身生存能力的“策略”。

(图片来自网络)(图片来自网络)

  水稻为何会有“干旱记忆”?

拟南芥(图片来自网络)拟南芥(图片来自网络)

  对植物材料进行人为的干旱复水处理的测试最早是中国科学家在拟南芥中开展的,经过多次干旱、复水处理后植物材料的耐干旱能力明显增强。为了探究水稻——这一干旱对其有严重抑制作用的植物是否也可以通过人为方式提高其耐旱能力,科研人员在2015年对水稻进行了反复的干旱和复水处理:将水培的水稻材料进行脱离水环境的空气干燥,干燥一定时间后恢复水环境培养,而后再进行干旱和复水的循环处理,让水稻人为的经历多次干旱胁迫,最后发现经历多次干旱胁迫后,水稻的抗旱能力得到了提升。

  水稻中的两种陆生稻类型在人为水分胁迫预处理后具有了记忆效应在2017年也有了相关的报道。但是关于水稻形成干旱“记忆”的原因,还缺乏相关的研究。

  为了进一步探究其原因,研究者对处理过程中的水稻材料进行了生理指标结合测序技术的对比与分析,研究人员发现了6885个参与提升水稻抗旱“记忆”的转录本以及238个干旱“记忆”核糖核酸,并对这些“记忆”转录本进行了分类诠释,结果发现水稻中的干旱“记忆”转录本很大一部分是后期响应型,即大部分基因在前期干旱处理中蓄积能量,而在后期多次处理时才发挥重要的作用。

水稻中的干旱记忆基因表达模式(李萍制图)水稻中的干旱记忆基因表达模式(李萍制图)

  为了进一步探究水稻中抗旱“记忆”形成的原因,研究人员进行了一系列数据分析与实验验证,最终发现了水稻中存在的抗旱“记忆”调控网络:植物生长关键激素之一的脱落酸对于激发水稻的抗旱性及引发水稻内的抗旱代谢反应具有重要的作用;同时核糖核酸与DNA表观水平的变化(甲基化)影响了抗旱“记忆”转录本的表达;而植物的光合作用、脯氨酸合成等代谢路径的“记忆”转录本都参与到了水稻的抗旱“记忆”当中。

  对于植物“记忆”的探究,还有很多研究者在进行不断的尝试和探索,水稻中的是否存在其他逆境“记忆”也有待进一步发掘,而“记忆基因”与其参与的“记忆”调控网络的发现为植物这一特性功能研究提供了新的思路。

 水稻干旱记忆响应的调控网络分析(李萍制图) 水稻干旱记忆响应的调控网络分析(李萍制图)

  水稻的抗旱“记忆”是继含羞草对外界胁迫抵抗“记忆”,以及燕麦草短期干旱“记忆”之后的又一重要的植物“记忆”发现,随着越来越多植物中“记忆”的发现,“记忆”已经不再是动物们的专属本领,越来越多的植物将会被发现具有这一特性,从而提升自身的生存适应能力。

原因植物记忆
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