西班牙學(xué)者Aditi Gupta等在Science上發(fā)表了題為“The physiology of plant responses to drought”的文章，通過對模式植物擬南芥的生理和分子分析確定植物激素信號傳導(dǎo)是調(diào)節(jié)植物對干旱脅迫響應(yīng)的關(guān)鍵，討論了在特定細(xì)胞和細(xì)胞結(jié)構(gòu)域中進(jìn)行激素信號傳導(dǎo)如何緩解植物受到的干旱脅迫。



植物抗旱機(jī)制

逃逸(在脅迫可能阻礙生存前加速其生殖階段)

回避(增加內(nèi)部含水量和防止組織損傷的耐力)

耐受(干旱時保持生長的低內(nèi)部含水量的耐力)

干旱時植物維持水平衡

增加根系對土壤的吸水量

關(guān)閉氣孔減少水分流失 

調(diào)節(jié)組織內(nèi)的滲透平衡

隨著世界人口的不斷增長，農(nóng)作物產(chǎn)量也必須增加，以滿足日益增長的基本需求。在當(dāng)前氣候變化和降水趨勢的情況下，農(nóng)業(yè)可用淡水預(yù)計(jì)將減少。為此，必須提高植物用水效率，以對抗缺水環(huán)境。

圖1.全球氣候、農(nóng)業(yè)和糧食安全的發(fā)展歷程

植物最初通過根部感知干旱，同時地上部的植物器官如葉和莖中，氣孔積極的響應(yīng)以緩解缺水環(huán)境。在缺水條件下，氣孔保持關(guān)閉以減少水分流失。
 

圖2. 具有強(qiáng)抗旱性的植物的根莖葉特征

通過模式植物擬南芥的全基因組關(guān)聯(lián)圖譜，發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)根系深度的生長素通路調(diào)節(jié)劑，這種對擬南芥中小肽信號傳導(dǎo)的發(fā)現(xiàn)，有助于識別其他作物中類似的脅迫信號從根到莖的作用機(jī)制。
 

圖3. 植物體內(nèi)干旱脅迫相關(guān)的激素水平變化

遺傳策略為育種家們提供了抗旱解決方案，可用于開發(fā)智能抗旱作物。例如使用GWAS、CRISPR-Cas9等工具進(jìn)行的精確基因編輯，可以在保證產(chǎn)量的同時提高作物抗旱性。
 

圖4. 開發(fā)智能抗旱作物的技術(shù)策略

此研究分析了干旱脅迫下維持作物生長的各種遺傳性狀的變化，提出了可采用GWAS和CRISPRCas9等工具進(jìn)行育種工作，從而提高植物在各種脅迫下的抵抗能力。旨在揭示植物對干旱生理響應(yīng)模型，并將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為作物的研究工作將提供對抗缺水的新策略。

doi : 10.1126/science.aaz7614