首次！湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)以第一完成單位在Nature發(fā)文

大學(xué)路小編給大家?guī)砹耸状危?a target="_blank" href="/academy/detail/1445.html" title="湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)">湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)以第一完成單位在Nature發(fā)文相關(guān)文章，一起來看一下吧。

　　北京時(shí)間5月22日23時(shí)，中國工程院院士、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄒學(xué)校院士團(tuán)隊(duì)的遠(yuǎn)方和劉峰課題組研究發(fā)現(xiàn)了植物低滲(多水)感受器OSCA2.1和OSCA2.2，闡明了滲透感受器依賴的花粉萌發(fā)過程中鈣震蕩的調(diào)控機(jī)制，為揭示植物適應(yīng)全球環(huán)境變化的生理生態(tài)效應(yīng)及分子機(jī)制提供重要的理論依據(jù)，對提升我國糧食和生態(tài)安全具有重大意義。

　　這是湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)首次作為第一完成單位、第一作者以及通訊作者在國際頂級(jí)綜合性期刊《Nature》正刊發(fā)表研究性論文，鄒學(xué)校院士團(tuán)隊(duì)裴宋雨博士為第一作者，遠(yuǎn)方教授和劉峰教授以及裴真明教授為并列通訊作者。該研究獲得國家“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“農(nóng)業(yè)生物重要性狀形成與環(huán)境適應(yīng)性基礎(chǔ)研究”重點(diǎn)專項(xiàng)“糧食作物環(huán)境感受受體的鑒定及其響應(yīng)機(jī)制(基礎(chǔ)類研究)”資助。

　　隨著全球氣候變暖，缺水對植被和農(nóng)作物的影響越來越嚴(yán)重。陸生植物必須通過監(jiān)測其環(huán)境中可利用水的多少來調(diào)控生長和發(fā)育，當(dāng)植物細(xì)胞外水供應(yīng)多時(shí)，細(xì)胞吸水，胞外滲透壓相對于胞內(nèi)滲透壓較低，低滲感受器感受低滲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)第二信使(如鈣信號(hào))啟動(dòng)下游的生理生化反應(yīng)。然而，植物低滲感受器離子通道一直未被發(fā)現(xiàn)。

　　團(tuán)隊(duì)研究人員在模式植物擬南芥中鑒定到了首個(gè)真正的細(xì)胞表面低滲感受器離子通道，并發(fā)現(xiàn)了水分通過低滲感受器直調(diào)控花粉粒鈣信號(hào)(即花粉粒鈣信號(hào)是響應(yīng)水分的第二信使)。該研究揭示了植物感受環(huán)境水分變化的全新信號(hào)途徑，對進(jìn)一步闡明水分調(diào)控植物細(xì)胞擴(kuò)展的分子機(jī)制具有重要意義，對提升農(nóng)作物的抗逆性和產(chǎn)量具有重要作用。

圖1. OSCA2.1 和 OSCA2.2 在花粉粒和 HEK293 細(xì)胞中行使低滲激活的細(xì)胞質(zhì)膜鈣離子通道功能

　　團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌中開發(fā)了低滲響應(yīng)離子通道的功能表達(dá)篩選體系，并分離出低滲感受器OSCA2.1。通過篩選鑒定單敲除和多敲除OSCA突變體，發(fā)現(xiàn)OSCA2.1/2.2雙敲除突變體在花粉萌發(fā)和低滲誘導(dǎo)的胞質(zhì)鈣增加(HOSCA)方面受到抑制。OSCA2.1/2.2在植物和HEK293細(xì)胞中能形成低滲透敏感的鈣離子通道 (圖1)。通過系統(tǒng)地描述、定義、統(tǒng)計(jì)和量化花粉萌發(fā)前鈣振蕩的生物學(xué)特點(diǎn)，研究人員發(fā)現(xiàn)了以前從未報(bào)道過的花粉粒萌發(fā)前鈣信號(hào)模式。數(shù)十個(gè)CaOscS均勻地出現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)中，之后CaOscL逐漸向萌發(fā)孔附近富集，最終引發(fā)花粉管突起(萌發(fā)起始)。研究還發(fā)現(xiàn)降低花粉萌發(fā)培養(yǎng)基中滲透壓會(huì)增強(qiáng)花粉粒鈣振蕩，該現(xiàn)象由OSCA2.1/2.2離子通道所介導(dǎo)，而是花粉粒萌發(fā)所必需的 (圖2)。研究表明，OSCA2.1/2.2離子通道感受花粉粒外(胞外)水分信號(hào)后，并將其轉(zhuǎn)化為花粉粒中(胞內(nèi))的鈣信號(hào)，證實(shí)該離子通道就是科學(xué)家探索已久植物低滲感受器。

圖2.?通過降低水勢來誘導(dǎo)花粉粒鈣振蕩(模擬復(fù)水過程)在OSCA2.1/2.2突變體中被破壞

　　水是細(xì)胞擴(kuò)展最重要的驅(qū)動(dòng)力，該研究發(fā)現(xiàn)的“多水(胞外)?低滲感受器(細(xì)胞膜)?鈣信號(hào)(胞內(nèi))”信號(hào)途徑除揭示了生殖細(xì)胞花粉粒萌發(fā)機(jī)理外，還對理解營養(yǎng)組織中細(xì)胞擴(kuò)展分子機(jī)制具有重要意義。滲透感受器OSCA基因家族1起源于原生生物(protists)進(jìn)化過程，它們在維持細(xì)胞形狀和彭壓方面發(fā)揮作用。特別是植物OSCA基因家族的擴(kuò)張和進(jìn)化伴隨著植物從水到陸地的轉(zhuǎn)變，其在植物響應(yīng)水分變化中起著重要作用。

　　近年來，隨著全球氣候變化，極端天氣(干旱和洪澇)災(zāi)害發(fā)生頻率及危害程度逐年增加。2023年，我國由洪澇和干旱等災(zāi)害造成的農(nóng)作物受災(zāi)面積10539.3千公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失3454.5億元。農(nóng)作物抗旱和耐澇機(jī)理的復(fù)雜性，利用傳統(tǒng)育種方法提高植物的抗旱性困難重重，迄今為止，還未能找到可以有效提高農(nóng)作物干旱和澇脅迫能力的方法。該研究成果為研究農(nóng)作物如何利用有效水分，增強(qiáng)水脅迫抗性(抗旱和耐澇)提供了重要的基因資源;也為揭示植物適應(yīng)全球環(huán)境變化的生理生態(tài)效應(yīng)及分子機(jī)制提供重要的理論依據(jù)，對提升我國糧食和生態(tài)安全具有重大意義。

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