這是對野生型擬南芥幼苗的顯微觀察，其中熒光蛋白標記了質膜。
隨著世界變暖，植物面臨著一個困境——它們必須打開來交換氣體的同樣的小孔也會排放水。他們可以關閉被稱為氣孔的孔，以在更熱和更干燥的條件下保持水分，但這樣做可能會錯過關鍵的二氧化碳。
斯坦福大學博格曼實驗室面臨的問題是，隨著世界上越來越多的工廠經歷更溫暖、更干燥的環(huán)境，這種困境將如何運作。確定這一點需要小組退后一步，更好地理解植物如何調節(jié)每片葉子上的氣孔數(shù)量。答案不僅表明工程植物有機會抵抗氣候變化，還揭示了一個以前未知的過程，通過這個過程，植物可以微調它們建立的氣孔數(shù)量。
“能夠更好地預測北方森林等植被將如何應對全球氣候變化，這將是非常好的。氣孔發(fā)育的變化是植物在環(huán)境變化時可能用來適應的一種機制，但是我們有斯坦福大學人文科學學院生物學教授多米尼克博格曼實驗室的博士后學者AnneVatn，他說我們需要更多地了解它。
在9月6日發(fā)表在《發(fā)育細胞》雜志上的一篇論文中，研究人員發(fā)現(xiàn)擬南芥植物中的哪種激素協(xié)調植物產生的氣孔數(shù)量。更重要的是，他們利用CRISPR/Cas9基因編輯技術來調節(jié)植物體內的激素水平，從而知道這種激素能在多大程度上增加或減少氣孔。
觀察氣孔發(fā)育。
該小組首先研究了細胞分裂素的作用，細胞分裂素是一種重要的植物激素，長期以來被認為影響氣孔的發(fā)育，并與整個植物中的其他過程相協(xié)調。本文第一作者Vatn對擬南芥全基因組進行了分析，證實了細胞分裂素相關基因在即將成為氣孔的細胞中確實高度活躍。然后，通過上調或下調數(shù)百種實驗室植物特定細胞中這種激素的水平，研究人員發(fā)現(xiàn)它們可以微妙地改變植物產生的氣孔數(shù)量。
更重要的是，他們準確追蹤了細胞分裂素在這種情況下的作用。它激活了一種叫做“無語”的基因，這種基因使細胞走上了變成氣孔的道路。但是這條路并不直接——早期的步驟包括干細胞樣分裂，這可以擴大氣孔的細胞池。通過他們的實驗，研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管無語促進了更多的細胞變成氣孔，但它也激活了四種蛋白質，這些蛋白質限制了細胞對細胞分裂素的反應能力。
盡管改變細胞分裂素的水平總是會影響氣孔，但研究人員發(fā)現(xiàn)，這種影響從未如此顯著——例如，完全消除他們發(fā)現(xiàn)的蛋白質，只改變氣孔數(shù)量的10%左右。基于這一發(fā)現(xiàn)，研究小組很好奇將氣孔增加10%是否有意義?？紤]到之前關于在極端環(huán)境下種植植物的研究，博格曼注意到實驗中科學家將植物大氣中的正常二氧化碳水平提高了一倍，并觀察了對氣孔的影響。包括代表幾十個物種的數(shù)百人，反應是平均減少葉片氣孔數(shù)量約9%。
“這是一個非常令人滿意的發(fā)現(xiàn)，”博格曼說，他也是霍華德休斯醫(yī)學研究所的研究員和這篇論文的資深作者。“當植物失去使用細胞分裂素-無語系統(tǒng)的能力時，說我們看到的氣孔數(shù)量的變化是有意義的，因為植物通常會有許多變化來應對環(huán)境的變化。”
CRISPR與氣候變化
研究人員利用CRISPR/Cas9基因編輯技術，精確改變植物中的單個基因，以提高和降低細胞分裂素水平。研究人員表示，這項技術非常有希望做出有針對性的小改變，以提高植物抵御氣候變化的能力。然而，最近，決定，由CRISPR改造的植物應該遵守與由較舊和不太精確的方法改造的植物相同的嚴格法律。博格曼與他們兩人的經歷讓她質疑這個決定，特別是，她說，因為通過突變培育的植物，一種更古老和更具侵略性的程序，被豁免了。
博格曼說：“重要的是討論遺傳信息如何通過各種技術(如CRISPR/Cas9)自然改變，并讓科學家們更多地關注為了人類的利益而不是企業(yè)利潤而改良植物?！暗艺J為目前的裁決是短視的。”
沿著個性化醫(yī)學的路線，研究人員預測，植物生物學家將越來越關注科學家通過基因編輯產生的植物微小變化。
這項工作的下一步將是觀察細胞分裂素激素如何將氣孔的發(fā)育與血管系統(tǒng)的發(fā)育以及干旱等特定環(huán)境變化聯(lián)系起來。同時，博格曼實驗室一直在研究其他植物激素是如何調節(jié)氣孔的。
這篇論文的合著者包括北卡羅來納大學的卡拉索亞爾斯和扎卡里尼姆丘克，以及加州理工學院的保羅塔爾和霍華德休斯醫(yī)學研究所。
這項工作是由EMBO博士后獎學金，國家科學基金會，國家衛(wèi)生研究院，戈登和貝蒂摩爾基金會和霍華德休斯醫(yī)學研究所資助的。
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