植物如何应对白天的冷光以及为什么它对未来的作物很重要

在明亮寒冷的早晨，您可以依偎在羽绒被下或跳起来抓住这一天。

然而，对于光合作用植物来说，这种黎明意味着危险，因此它们进化出了自己的方式来忍受寒冷的早晨。

由 John Innes 中心领导的研究发现了一种受植物生物钟控制的寒冷“应对”机制，可以为不太适应寒冷气候的作物培育出更强的适应力提供解决方案。

“我们发现了一种帮助植物耐受寒冷的新过程。它由植物的生物钟控制，我们认为它在寒冷、明亮的早晨尤为重要，”John Innes 中心的小组组长 Antony Dodd 教授说。

“冬小麦和冬油菜等作物在种植期间会经历低温，”他继续说道。“我们认为，我们发现的机制可以提高光合作用对低温的适应能力。它代表了未来气候适应性作物精准育种的一个有趣目标。”

寒冷的温度会损害植物细胞，尤其是在光照过多或冰冻温度下。这就是为什么那些明亮寒冷的早晨对植物如此危险的原因。

研究人员想知道有关低温的信息是如何传递给叶绿体的，叶绿体是植物细胞内进行光合作用的场所，对我们所有的主要作物都是必不可少的。

叶绿体包含它们自己的小基因组，反映了它们作为光合细菌的进化历史，在它们被植物吞没和增选以进行光合作用之前。在整个进化过程中，许多基因从叶绿体转移到植物核基因组，但叶绿体保留了一些必需基因。

在这项研究中，该团队专注于一种称为西格玛因子 (SIG5) 的细菌遗传遗产。在细菌中，可比较的西格玛因子有助于对温度做出反应。

在受控实验室条件下进行的实验中，他们控制了光照条件，并使植物经历了一段时间的冷却。

从昼夜循环中移除植物使研究人员能够更好地研究植物生物钟或生物钟的自由运行节律。在植物中，与在人类中一样，时钟与 24 小时周期对齐，提供细胞内时间的测量，并调节一系列基本的生物过程。

实验表明，在生物钟的控制下，SIG5 基因在清晨对冷处理敏感。

研究小组推测，SIG5 作为连接植物细胞核和叶绿体的信号网络的一部分运作，调节可以保护植物免受有害环境影响的活动。

“如果温度很低，那么一些参与光合作用的酶就会迅速分解。” 多德教授解释道。“因此，我们认为由细胞核控制的过程会向叶绿体发出信号，从而制造更多这些蛋白质。当植物同时看到冷光时，它们需要开启从细胞核到叶绿体的信号传递过程，以制造更多的光合作用蛋白。”

生物钟的作用就像一个门，可以让信号通过或不通过，这个过程称为昼夜节律门控。

“植物可能已经进化到对光线和寒冷特别敏感，比如春天的早晨，因为这些是破坏光合作用系统的条件。在进化过程中的某个时刻，他们选择了这种敏感性并采用了这种古老的机制。就像植物中的许多这样的过程一样，这个过程被证明是在生物钟的控制之下。”

该机制已被证明在实验室中有效。这项研究的下一阶段是了解这一过程在该领域的影响。一个有趣的应用是看看是否可以修改该机制以进一步提高耐寒性，例如在更北纬地区种植玉米等耐寒性较差的植物。

这项研究是约翰英尼斯中心、布里斯托大学、东京工业大学和日本日本电报电话公司以及杜伦大学之间的合作。

低温和昼夜节律信号由 sigma 因子 SIG5 整合，出现在自然植物中。