植物应对环境胁迫的气孔调控机制研究
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面对自然界多种多样的生物和非生物胁迫,植物进化出了一系列独特的适应机制。其中,通过气孔介导的植物体与外界环境的气体交换,是植物调控自身对环境变化适应性的关键途径。气孔通过开闭运动控制水分散失和二氧化碳吸收,从而调节植物的蒸腾作用和光合作用。
在分子水平上,气孔的开闭运动由保卫细胞中的离子通道调控。离子通道通过介导离子跨膜流动来控制保卫细胞的膨压变化,进而驱动气孔的运动。在高浓度二氧化碳、臭氧、干旱以及微生物侵袭等环境胁迫条件下,气孔通常会关闭以保护植物。在这一过程中,慢型阴离子通道SLAC1起到关键作用。SLAC1通过感知外界信号并改变自身分子构象来关闭气孔。
此前,中国科学院遗传与发育生物学研究所陈宇航研究组报道了植物SLAC1的第一个冷冻电镜结构。该结构主要展示了SLAC1的跨膜结构域,而由于N端约180个氨基酸和C端约60个氨基酸具有较大的柔性,这些部分未能在结构中被观察到。这些柔性区域携带磷酸化位点,是SLAC1离子通道激活所必需的。前期的蛋白质质谱和电生理学研究鉴定了6个位于N端的关键磷酸化位点,但磷酸化修饰对SLAC1通道的具体作用尚不清楚。
近期,陈宇航研究组利用生物信息学、电生理学和AlphaFold建模等方法,进一步揭示了SLAC1的磷酸化激活机制。研究发现,SLAC1的柔性N端和C端部分在胞质内形成了一个调控结构域(CRD),该结构域与跨膜结构域(TMD)互作,维持SLAC1在静息状态下的自抑制状态。在SLAC1激活过程中,磷酸化修饰引起CRD的构象变化,解除自抑制状态。该研究证实了CRD在静息状态下的自抑制功能,并揭示了其在磷酸化后对维持离子通道开放的必要性。
通过从分子构象、通道活性和生理功能等层面揭示磷酸化修饰驱动SLAC1通道激活的分子机制,该研究推进了科学家对气孔如何感知和响应外界环境变化的理解。这一发现有望为耐旱作物的精准设计和种质创新提供新的思路。
7月8日,相关研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金和中国科学院战略性先导科技专项等的支持。该成果由遗传发育所和美国哥伦比亚大学合作完成。
这项研究的成功不仅丰富了我们对植物气孔调控机制的理解,也为未来作物的改良提供了新的理论基础。通过进一步深入研究气孔调控机制,科学家们或许能够开发出在多种环境胁迫下仍能保持高效光合作用和水分利用的作物,从而提高农作物的产量和抗逆性。这对全球农业生产和粮食安全具有重要意义。
2024-09-20
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