让脱水植物“起死回生”

2020-09-11 609蕨类

干旱会对动植物造成严重伤害。当细胞缺水时,它们会收缩,塌陷,并且在没有水作为介质的情况下,细胞内的化学物质和酶可能会发生故障。但是,有些植物,如恰当地命名为“复活蕨类植物”(Polypodium polypodioides),即使在水分含量高达95%的情况下,也能经受住极端的水分流失。这些耐干燥植物中的细胞如何保持活力?如何让脱水植物“起死回生”?

研究背景

Villanova大学生物学副教授Ronald Balsamo和Drexel大学机械工程与力学副教授Bradley Layton的合作始于一个傍晚的Balsamo前院,当时两个人正在讨论生物力学在干旱中的可能作用抵抗性。 Balsamo一直在组织和生物体尺度上进行植物生物力学,将具有不同能力的植物的茎叶分开以抵抗干旱,而Layton则一直在研究单一细胞并为胶原蛋白和微管蛋白等单一蛋白质建模。

正如他们所说,很明显,相关物种的植物之间的任何差异都必须在细胞和分子水平上发生,这些差异使某些人能够在非常低的水位下生存,而他们的表亲仅在适度的失水后死亡。他们从“复活蕨类植物”开始研究,这些结果可以在莱顿及其同事的四月份的《美国植物学杂志》上找到。

让脱水植物“起死回生”

巴尔萨莫说:“这种植物尽可能干而脆。” “它已经失去了95%的水,但是它仍然活着!想象一下这发生在人类身上。我们大多数人不会让它超过10%或20%。”不幸的是,许多农作物也是如此。例如,玉米在死亡前只能忍受约20%至30%的水分流失。

如何让脱水植物“起死回生”?为了回答蕨类植物如何复活的问题,巴尔萨莫,莱顿和他的同事们开始了一种使用蛋白质印迹的多管齐下的方法,该技术可以检测一段时间内不同蛋白质的相对水平。免疫定位,一种可以“照亮”植物组织中可能潜伏着特定蛋白质的空间区域的技术;原子力显微镜,一种强大的显微镜技术,可以分辨单个蛋白质,有时甚至单个原子。

研究意义

他们发现新颖而又颇具争议。他们发现不仅是一类特殊的蛋白质,称为脱水蛋白,在干燥条件下更普遍,而且,他们首次发现在细胞壁附近也很普遍。脱水素因其吸引,隔离和定位水的能力而闻名。由于它们的负电荷,它们的行为是这样的。

这一发现使研究人员得出以下结论:这些被水包围的脱水醇实际上可以使水在植物细胞膜与植物细胞壁之间,甚至在各个细胞壁层之间充当润滑剂。巴尔萨莫说:“从力学的角度来看,这很重要,因为这些细胞在干燥时实际上会发生一些重大变形。”

Layton补充说:“想一遍又一遍地弄皱一张纸。最终,纤维会断裂,而纸会撕裂。这意味着植物细胞的某些死亡,这取决于其细胞壁的机械完整性。生存。”

他们还观察到,在各个叶状体中心附近发现的蕨类植物的维管组织不会发生很大的变形,从而强调了一旦再次获得水,保持该组织完整的重要性。如果脱水蛋白基因可以定位并转移到其他物种,则可能赋予植物抗旱的能力。研究人员目前正在使用来自美国农业部的种子资金以及最近获得的NSF赠款来研究与其他美国农作物有关的相似假说,以研究由俄亥俄州立大学拟南芥生物资源中心提供的拟南芥叶片的生物力学。

引用

American Journal of Botany. "Bringing dehydrated plants 'back to life': Possible key to desiccation-tolerant plants." ScienceDaily. ScienceDaily, 5 April 2010. www.sciencedaily.com/releases/2010/04/100401101053.htm.

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