研究成果

Molecular Plant — 林尤舜研究组与合作者发表关于植物响应热胁迫的分子机制的综述文章

发布时间:2023-09-25 

2023年9月21日,植物学著名期刊Molecular Plant在线发表了上海交通大学林尤舜研究组与中国科学院分子植物科学卓越创新中心林鸿宣研究组联合撰写的题为“The molecular basis of heat stress responses in plants”的长篇综述论文,系统总结了植物在热形态建成和热胁迫损伤过程中感知和响应温度的分子机制,并从“源-库”角度提出了在全球气候变暖的形势下减少作物产量损失的应对策略。

全球气候变暖已成为威胁粮食安全和人类发展的一大重要因素。人类活动的加剧导致全球平均气温上升了1.25℃,根据目前排放轨迹的权威估计,在未来不到10年的时间里,全球平均气温的升高将超过1.5℃。据悉,全球温度每升高1℃将会对重要粮食作物带来3%~8%左右的减产(四大作物合计减产约19%)。联合国粮食及农业组织(FAO)数据统计显示,1961-2021年全球气温持续攀升,使得受到粮食安全问题威胁的人口比例逐年增加。因此,阐明植物对高温反应的基本机制,挖掘优异的耐高温基因位点,并通过基因渗入或基因编辑的方法培育“环境广适、优质高产”的耐高温作物品种,对于应对全球气候变暖带来的粮食安全问题具有重要意义。

然而并非所有的温度升高都对植物有害,例如在温和温度条件下,植物出现下胚轴伸长、开花提前等形态学上的变化统称为热形态学建成;但在极端高温下的热胁迫则对植物的生长发育产生负面影响,甚至可能导致细胞损伤和死亡。该综述首先从热形态学建成和热胁迫损伤两个方面总结了植物中已被证实的和潜在的高温感受器,这有助于我们从信号发生的起始角度深入了解高温信号的产生及传导机制。进一步,该文重点就热胁迫响应网络进行详细阐述,首先从热激转录因子-热激蛋白、信号分子、非编码RNA、表观修饰、内质网未折叠蛋白响应以及半自主细胞器等多个角度系统总结了拟南芥中完善的热胁迫响应分子网络(图1);接着,该文也从转录、翻译、代谢等多个层面系统总结了水稻、玉米、番茄中的热胁迫响应网络;最后,该文从“源-库”的角度提出了多种遗传改良策略以应对全球气候变暖带来的产量损失,包括从“源”的角度保护光合系统、减少水分散失、增强物质的运输和吸收,以及从“库”的角度保障育性、调控抽穗期以及保护籽粒灌浆(图2)。该文还讨论了挖掘作物中潜在高温感受器的重要意义和目前存在的问题,以及在多胁迫因子组合下探索逆境适应驯化的紧迫性。

图1:拟南芥中热胁迫响应调控网络

图2:热胁迫下水稻增产的应对策略

中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后阚义为论文第一作者,该中心林鸿宣研究员和上海交通大学林尤舜副教授为共同通讯作者。穆晓瑞、高进也参与了该项工作。相关研究和本综述撰写得到了上海市、上海交大、国家自然科学基金委、中国科学院、中国博士后科学基金会、岭南现代农业广东省实验室等项目的资助。

原文链接:https://www.cell.com/molecular-plant/fulltext/S1674-2052(23)00284-8

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