Nature子刊：细菌遗产“SIG5”帮助植物免受低温伤害

　　新的研究发现了一种受植物生物钟控制的寒冷“应对”机制，可以为不适应寒冷气候的作物培育更强的适应力提供解决方案。

　　

在明亮寒冷的早晨，你可以蜷缩在羽绒被下，也可以跳起来抓住这一天。然而，对于进行光合作用的植物来说，这样的黎明意味着危险，所以它们进化出了自己的方式，让寒冷的早晨变得可以忍受。

约翰·英纳斯中心(John Innes Centre)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，可以为不适应寒冷气候的作物培育更强的适应力提供解决方案。

“我们已经确定了一种帮助植物耐受寒冷的新过程。这是由植物的生物钟控制的，我们认为这在寒冷明亮的早晨尤其重要，”约翰·英尼斯中心的小组负责人Antony Dodd教授说。“像冬小麦和冬油菜这样的作物在种植期间会经历低温。我们认为，我们发现的机制可以为光合作用提供更强的抵御低温的能力。它为未来精准培育适应气候变化的作物提供了一个有趣的目标。”

低温会损害植物细胞，特别是在光照过强或温度极低的情况下。这就是为什么明亮寒冷的早晨对植物如此危险。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部位，对我们所有主要作物都至关重要。

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程，在它们被植物吞噬和吸收进行光合作用之前。在进化过程中，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要的基因。在这项研究中，研究小组专注于一种被称为sigma因子(SIG5)的细菌遗传遗产。在细菌中，类似的sigma因子有助于对温度的反应。在受控的实验室条件下进行的实验中，他们控制了光照条件，并让植物经历了一段时间的冷却。

将植物从昼夜循环中移除，使研究人员能够更好地研究植物生物时钟的自由运行节奏。在植物中，就像在人类中一样，时钟以24小时为周期，提供了细胞内时间的测量，并调节一系列重要的生物过程。实验表明，在生物钟的控制下，SIG5基因对清晨的冷处理很敏感。

研究小组理论上认为，SIG5是连接植物细胞核和叶绿体的信号网络的一部分，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，一些参与光合作用的酶就会迅速分解。因此，我们认为由核信号控制的过程进入叶绿体，以制造更多的这些蛋白质。当植物同时看到寒冷和光照时，它们需要启动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质。”

生物钟的作用就像一扇门，要么让信号通过，要么不让信号通过，这个过程被称为昼夜节律门控。

“植物可能已经进化到对光和冷特别敏感，比如春天的早晨，因为这些条件会破坏光合系统。在进化过程中的某个时刻，它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，这一过程被证明是受生物钟控制的。”

该机制已在实验室中证明有效。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这种机制是否可以被修改以进一步提高耐寒性，例如在更北纬的地区种植耐寒性较差的植物，如玉米。

Cano-Ramirez, D.L., Panter, P.E., Takemura, T. et al. Low-temperature and circadian signals are integrated by the sigma factor SIG5. Nat. Plants, 2023