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科学家发现了一种小蛋白质可以使芽和根中的生物钟同步

五年前,由CSIC研究教授Paloma Mas领导的农业基因组学研究中心(CRAG)的研究人员做出了一项突破性发现,即植物苗生长尖端中的生物钟的功能与生物钟中的生物钟相似。哺乳动物的大脑,在两种情况下都能使远端器官中细胞的日常节律同步。从这一开创性发现中,植物研究人员一直渴望发现可以从枝条到根部传播以调节节奏的信使分子。答案刚刚在本周的著名自然植物中发表Paloma Mas团队和来自日本,英国和美国的合作者撰写的期刊。他们确定了一种称为ELF4的必需钟蛋白,它是所需的信使。此外,通过一系列巧妙的实验,研究人员发现该分子的运动对环境温度敏感。

昼夜节律时钟由蛋白质的活性决定

包括人类和植物在内的大多数活生物体都有一个内部生物钟,使它们能够预测并适应每24小时地球自转产生的环境变化。在植物中,这个生物钟对于设置发芽,生长和开花以及其他过程的时间至关重要。昼夜节律时钟由一组细胞蛋白组成,其数量和活性每天都在振荡。发现这种机制的研究人员于2017年获得了诺贝尔生理学或医学奖。

每个植物细胞都包含一个生物钟,也就是说,它包含使其响应适应24小时周期所需的所有机械。然而,正如CRAG研究人员在Cell(2015)上发表的开创性文章中所述,作为哺乳动物的植物具有一个主生物钟,该生物钟使分散在整个植物中的外围时钟同步。CSIC教授帕洛玛·马斯(Paloma Mas)解释说:“我们知道有一个昼夜节律信号从嫩芽转移到根部,但是我们不知道该信号的性质。它可能是激素,光合产物……现在,我们有了发现它是昼夜节律时钟的核心蛋白,可通过植物脉管系统移动。”

研究人员用模型植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)设计了巧妙的嫁接实验,将不同的芽连接到几个根部,这些根部的时钟工作不正常。这些实验使他们能够识别时钟蛋白ELF4(该缩写为“ EARLY FLOWERING 4”),因为信使从新芽移到根部以传达昼夜节律信息。

ELF4将温度信息传递到根源

曾经经历过时差的任何人都知道,幸运的是,生物钟能够通过环境光提示使其自身复位,从而使人体在几天之内适应新的时区。与生物钟可以与环境光同步的方式相同,它还可以集成有关环境温度的信息。

为了辨别ELF4蛋白是否在向根传播有关光或温度变化的信息,这是生物钟的两个主要调节因子,研究人员测试了ELF4在不同环境条件下的运动。他们发现,在较低的温度(12°C)下,ELF4从芽到根的迁移性受到了促进,导致根时钟的节奏缓慢。取而代之的是,当实验在较高温度(28°C)下进行时,他们观察到较少的ELF4移动,从而导致更快的根时钟。这种新描述的机制可以为优化根对温度变化的响应提供优势。

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