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剑桥大学和波尔多大学的植物科学家发现了一种基因,他们希望这种基因可以用来扩大营养物质贩运瓶颈并可能提高作物产量。

世界各地的植物科学家正在制定一系列不同的战略,以可持续地提高作物产量。提高植物如何在植物不同部位之间运输糖,蛋白质和其他有机营养素的效率是可能促成下一次绿色革命的方法之一。

了解影响工厂内局部和长途运输的因素可以使植物生物技术专家在未来培育更多的生产性作物。最终,有可能将有机养分转移到收获的植物的特定部分(种子,水果和储存块茎)。

YrjöHelariutta教授在剑桥大学塞恩斯伯里实验室(SLCU)的研究团队和波尔多大学/ CNRS的Emmanuelle Bayer博士团队通过发现韧皮部卸载调节剂(PLM),这一影响营养物质贩运的新基因,使这一目标更近了一步。通过改变连接相邻植物细胞的通道,称为plasmodesmata。这些纳米级膜衬里通道穿过细胞壁屏障,将植物细胞连接在一起,实现基本物质的转移(见注释)。

今天发表在“自然植物”杂志上的这项研究表明,发现缺失PLM基因的拟南芥突变体植物在其根部尖端从韧皮部(一种用于长距离运输的专门组织)中释放出更多的物质。使用荧光蛋白作为大分子的代理,科学家们可以看到PLM基因对韧皮部卸载量具有明显的控制作用。为了找出基因是如何做到这一点的,他们研究了苗木根部不同细胞界面发生的情况。

来自剑桥Sainsbury实验室的主要作者,Dawei Yan博士解释说:“我们发现变异PLM可以缓解贩运瓶颈,这种瓶颈先前已经减少了营养物从血管系统向根部快速生长的组织向外移动。

PLM特别作用于韧皮部极周(PPP)和内胚层细胞之间的界面,内胚层细胞是卸载后物质径向运动的重要界面。去除PLM基因活动可以使植物更快速有效地将营养物质运输到需要的地方。“

由于卸载增加,突变植物的根长得更快更长。

进一步的分子和遗传学研究还表明,PLM参与鞘脂的生物合成,鞘脂是一类与植物发育和环境反应相关的脂质。虽然拜耳博士的团队之前已经证明胞间连丝的膜富含鞘脂,但这是首次将鞘脂与胞间连丝功能联系起来的研究。

下一步是确定PLM如何影响细胞间电导率。研究小组研究了PLM是否影响了胞间连丝密度 - 事实并非如此。研究小组还证实,PLM并未改变胼deposition质积累,这是唯一众所周知的胞间连丝通透性调节因子。

第二作者和博士Helariutta集团的学生Andrea Paterlini前往法国与拜耳博士合作,仔细研究PLM是否会影响胞间连丝结构。他们使用电子断层扫描技术创建纳米级通道的三维图。

Paterlini说:“这使我们能够检测到胞间组织结构的细微改变。我们在plm突变体和野生型植物中发现了相同比例的简单和分枝胞间连丝。但是,没有PLM的植物只有I型胞间连丝(参见注释),而不是通常发现的两种类型。

“以前的模型假设细胞质套管的大小(胞质网与质膜中质膜之间的间距)与运输能力正相关。我们的论文结果对此进行了挑战,并表明I型胞间连丝,非常窄细胞质套管,实际上比II型胞间连丝更具传导性,它具有开放的细胞质套管。“

Helariutta教授说:“基因功能(脂质生物合成)与胞间连丝超微结构改变之间的相关性很可能是由于胞间连接组织中质膜与内质网分离的结果缺陷造成的:结果在具有突变的PLM基因的植物中缺乏可见的细胞质套管的大多数胞间连丝中。

“对于未来的研究仍有许多新的问题需要回答,例如,缺乏细胞质套管的胞间连丝如何以及为何具有较高的运输率以及鞘脂的代谢如何与PLM的功能机械相关。

“然而,这项研究提高了我们对调节植物养分转移因子的认识。迫切需要开发具有提高营养效率的作物,既减少肥料的使用,又增加作物的产量。我们最终可能使用有关营养物质运输的信息,可以更有效地分配各种器官之间的营养物质,并将茎叶中的营养物质直接输送到水果和贮藏器官。“

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