PNAS:浙大、西雪梨大學 | 植物耐旱和氣孔進化新機理

2021-02-15 中關村NMT聯盟

標題:Evolutionof chloroplast retrograde signaling facilitates green plant adaptation to land

Chloroplast retrograde signaling networks are vital for chloroplastbiogenesis, operation, and signaling, including excess light and drought stresssignaling. To date, retrograde signaling has been considered in the context ofland plant adaptation, but not regarding the origin and evolution of signalingcascades linking chloroplast function to stomatal regulation.

 

We show that key elements of the chloroplast retrograde signalingprocess, the nucleotide phosphatase (SAL1) and 3′-phosphoadenosine-5′-phosphate (PAP)metabolism, evolved in streptophyte algae—the algalancestors of land plants.

 

 We discover an early evolutionof SAL1-PAP chloroplast retrograde signaling in stomatal regulation based onconserved gene and protein structure, function, and enzyme activity and transitpeptides of SAL1s in species including flowering plants, the fern Ceratopterisrichardii, and the moss Physcomitrella patens.

 

 Moreover, we demonstrate thatPAP regulates stomatal closure via secondary messengers and ion transport inguard cells of these diverse lineages. The origin of stomata facilitated gasexchange in the earliest land plants.

 

Our findings suggest that the conquest of land by plants was enabled byrapid response to drought stress through the deployment of an ancestralSAL1-PAP signaling pathway, intersecting with the core abscisic acid signalingin stomatal guard cells.

葉綠體逆行信號傳導網絡對於葉綠體的生物發生,操作和信號傳導至關重要,包括過量的光和乾旱脅迫信號。迄今為止,已經在陸地植物適應的背景下考慮了逆行信號傳導,但沒有考慮將葉綠體功能與氣孔調節相關聯的信號級聯的起源和進化。

我們顯示葉綠體逆行信號傳導過程的關鍵元素,核苷酸磷酸酶(SAL1)和3'-磷酸腺苷-5'-磷酸(PAP)代謝,在陸生植物的藻類祖先 - 鏈黴菌藻類中進化。

我們發現SAL1-PAP葉綠體逆行信號在氣孔調節中的早期進化基於保守基因和蛋白質結構,功能和酶活性以及物種中SAL1s的轉運肽,包括開花植物,蕨類植物Ceratopteris richardii和苔蘚Physcomitrella patens。

此外,我們證明PAP通過第二信使調節氣孔關閉和這些不同譜系的保衛細胞中的離子轉運。氣孔的起源促進了最早的陸地植物的氣體交換。

我們的研究結果表明,通過部署祖先的SAL1-PAP信號通路,與氣孔保衛細胞中的核心脫落酸信號相交,對乾旱脅迫的快速反應使植物徵服土地成為可能。

Fig. 3. PAP-induced stomatal closure, guard-cell ROS and NO signaling, and ion transport are evolutionarily conserved across plant clades. (D–F) PAP regulates K+,Cl−, and Ca2+ fluxes from guard cells of three major clades. Data are averaged for control (0–10 min) and PAP (15–35 min). Data are means ± SE (n = 5–8).

PNAS丨浙江大學發文揭示植物耐旱和氣孔進化新機理

文章連結:

https://www.pnas.org/content/116/11/5015


即日起,中關村NMT聯盟統籌安排全國NMT測試服務,如需開展NMT相關實驗,請聯繫聯盟:010-8262 4800轉12


相關焦點

  • PNAS:浙大、西雪梨大學丨植物耐旱和氣孔進化新機理
    期刊:PNAS主題:植物耐旱和氣孔進化新機理標題:Evolutionof chloroplast retrograde signaling facilitates green plant adaptation to land影響因子:9.504檢測指標:K+、Ca2+、Cl作者:浙江大學/西雪梨大學陳仲華
  • 浙大學者發現植物「登陸」的新機理
    由此,浙江大學農業與生物技術學院張國平教授團隊的陳仲華教授課題組,與來自澳大利亞、美國、英國、以色列、加拿大和德國的27位科研人員聯合攻關,提出並驗證了關於植物如何在4.5億年前由水生向陸生過渡的新理論,提出了葉綠體逆行信號通路SAL1-PAP的起源和進化的新觀點。該發現加深了對植物耐旱性進化及適應氣候變化的理解,對作物耐旱育種和栽培提供了新思路。
  • 植物氣孔控制的進化機制
    影響氣孔運動的主要因素有光照、二氧化碳、溫度、葉片含水量、風以及植物激素等,其實質都是通過改變細胞內pH值或酶活性影響保衛細胞水勢,控制氣孔關閉。對於氣孔運動控制機理,科學家們曾提出不同的模型以解釋保衛細胞對光照、細胞激素濃度(以脫落酸研究最為常見)以及代謝速率的響應。其中最受關注的有3種假說:澱粉—糖互變、鉀離子吸收和蘋果酸生成。
  • 植物表面的氣孔是如何形成的?
    氣孔前體細胞的不對稱分裂或分化是氣孔形成的決定性步驟。來自比利時佛蘭德斯的生命科學研究所(VIB)和根特大學的科學家們發現了決定氣孔前體細胞命運的新機制,論文近日發表於《自然》雜誌。 在擬南芥中,科學家們鑑定出了一種支架蛋白——POLAR,並證明了POLAR會將一組GSK3樣激酶帶到氣孔前體細胞極化末端的互作分子伴侶處,以啟動不對稱細胞分裂。
  • 十大常見耐旱植物,超級耐旱的植物有哪些?
    紫花醉魚木在土壤有機質含量在1‰以下、年降雨量僅為180-200mm、氣溫-36℃的情況下可正常越冬,是西北、華北、東北乾旱、寒冷地區優良園林綠化觀花灌木樹種,紫花醉魚木可以說是沙旱生植物中一朵絢麗的奇葩。3、蒙古韭蒙古韭又叫作沙蔥,分布於中國、俄羅斯、哈薩克斯坦和蒙古西南部,生長於海拔800-2800米的荒漠、砂地或乾旱山坡,是耐旱植物。
  • 植物雌蕊頂端模式建成和功能特化的調控新機理
    Current Biology | 武漢大學孫蒙祥團隊揭示植物雌蕊頂端模式建成和功能特化的調控機理責編 | 奕梵被子植物的雌蕊起源於心皮融合,其通過細胞類型和組織分布的適應性調整,進化成為適應植物有性生殖的獨特結構。
  • 科學家研究揭示復甦植物旋蒴苣苔的耐旱機理
    4月20日,國際學術期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)在線發表了中國科學院上海生命科學研究院植物逆境生物學研究中心研究員朱健康和首都師範大學教授何奕騉及密蘇裡大學合作研究的研究論文
  • 植物葉片的氣孔如何開閉自如?
    植物通過氣孔進行氣體交換:每吸收一個二氧化碳分子,就有100個水分子逸出。植物通過精密的傳感器網絡,在乾燥和飢餓之間實現平衡。當光線充足時,植物會打開葉片上的氣孔,吸收二氧化碳(CO2,2為下標),然後通過光合作用將其轉化為碳水化合物。
  • 逆境中心合作研究揭示復甦植物旋蒴苣苔的耐旱機理
    4月20日,國際學術期刊Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America(PNAS)在線發表了中國科學院上海植物逆境生物學研究中心朱健康研究員和首都師範大學何奕騉教授及密蘇裡大學合作研究的研究論文
  • 研究發現植物氣孔開閉調控新機制
    為適應環境的影響,植物的氣孔會經常開閉,這對於植物平衡光合作用中二氧化碳的攝入和蒸騰過程中水分的釋放是很重要的。但植物氣孔開閉調控的機制仍在深入研究中。日前,來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院、中國浙江大學的一個聯合研究團隊發表在《植物細胞》雜誌的一篇綜述論文指出,葡萄糖是保衛細胞(植物氣孔的兩個「唇」)中主要的澱粉代謝產物,並且在藍光誘導的氣孔開放過程中,葡萄糖是氣孔的主要能量來源,這一發現有助於揭示植物氣孔開閉調控的新機制。保衛細胞中的澱粉降解是藍光誘導下氣孔打開的標誌之一。
  • 上海交大農業與生物學院葉文秀助理教授研究組最新研究成果:植物...
    由上海交通大學農業與生物學院葉文秀助理教授與岡山大學Yoshiyuki Murata教授牽頭,聯合上海交通大學盧江教授、日本名古屋大學Toshinori Kinoshita教授、日本明治大學Hanae Kaku教授和Naoto Shibuya教授等組成的研究團隊,近日在美國科學院院刊(PNAS)在線發表了題為"Stomatal immunity
  • PBJ:浙大張國平丨HvAKT2和HvHAK1通過增強葉肉H+穩態提升耐旱能力(附NMT實驗體系)
    期刊:Plant Biotechnology Journal主題:HvAKT2和HvHAK1通過增強葉肉H+穩態提升耐旱能力標題:HvAKT2 and HvHAK1 Confer Drought Tolerance in Barley through Enhanced Leaf Mesophyll H+
  • 示植物能量感受器SnRK1促進氣孔發育的分子機理被發現
    Nature Comm | 山東大學白明義課題組揭示植物能量感受器SnRK1促進氣孔發育的分子機理責編 | 奕梵植物SnRK1 [sucrose non-fermenting-1 (SNF1)-related
  • 與氣孔發育三個階段相關的基因
    ( 生物谷配圖)更多生物圖片請進入         陸生植物的葉子和幹上分布有許多「微小的嘴」——氣孔。氣孔打開時,植物吸入光合作用所需的CO2,同時允許水分蒸發,將根部的水牽入(蒸騰作用),如果水分蒸騰過多,圍繞氣孔的兩種細胞會將氣孔關閉。因此,氣孔可以防止植物水分喪失。         最近,華盛頓大學生物學副教授Keiko  Torii率領的研究小組發現兩個可以指導氣孔發育的新基因,並將這兩個基因命名為Speechless和Mute。
  • 定量磷酸化蛋白質組學 nature新發,擬南芥植物氣孔免疫調節機制
    前言感知生物和非生物脅迫通常會導致植物氣孔關閉。不同的環境刺激誘導胞漿中鈣離子濃度迅速增加,從而激活信號傳導反應。葉氣孔由兩個保衛細胞組成,介導水和氣體交換並表現出對刺激的動態鈣離子響應。氣孔為植物病原體提供了天然的入口點,因此必須嚴格控制其氣孔關閉,以確保最佳的光合作用,同時適當限制蒸發和病原體的進入。
  • 科學網—闡明茉莉酸如何調控植物氣孔運動
    本報訊 (記者鄭金武 通訊員鐵錚)北京林業大學教授沈應柏帶領團隊,揭示了質膜氫泵介導的H+流在茉莉酸誘導的氣孔關閉信號過程中的作用
  • 浙大新增生物醫學本科專業 授浙大和愛丁堡大學雙學位
    浙江大學新增生物醫學本科專業,授予浙大和愛大雙學位一群海歸教授創辦想讓生物學和醫學「交叉進化」愛丁堡大學教授與生物醫學專業學生在小組討論課。最近,教育部公布了2017年普通高校本科專業備案和審批結果。浙江大學新增審批本科專業1個,新增備案本科專業10個。這些新增專業基本都會出現在今年的招考名錄中。
  • 鈣離子通道OSCA1.3調控植物氣孔免疫
    鈣離子通道OSCA1.3調控植物氣孔免疫 作者:小柯機器人 發布時間:2020/8/27 15:14:30 英國東英吉利大學Cyril Zipfel團隊在研究中取得進展。
  • 蘭州大學研究團隊從全基因組水平揭示超旱生無芒隱子草的耐旱和二型花的分子機制
    與其他二型植物不同的是無芒隱子草的二型小花是在同一生育期內隨著拔節的開始逐漸在葉鞘中形成CL小花,直至頂穗抽出產生CH小花,而大多數兼性授粉植物的二型小花由光照時間、逆境等誘導產生。無芒隱子草是多年生超旱生C4植物,為乾旱荒漠草原的建群種和優勢種。因此無芒隱子草基因組序列的破譯能夠加快解析閉花授粉和耐旱機制及閉花植物在生產中的應用。
  • 科學家發現植物的氣孔免疫機制 有助於抗病作物的工程化育種
    和人類一樣,植物保護自己免受病原體的侵害。在蘇黎世大學大學教授Cyril Zipfel領導下的一個國際小組現在發現了植物免疫系統門控:鈣通道在與細菌等微生物接觸時觸發氣孔關閉。這種天生的防禦機制有助於培育對病原體有抵抗力的作物。每一片植物的葉子上都有數百個小孔,可以與環境進行氣體交換。