先进的生物传感器揭示赤霉素在整合植物光信号和茎生长中的作用

生物传感器技术的进步现在让我们能够观察到以前无法检测到的植物激素如何实时协调植物的生长并对环境刺激做出反应。

来自剑桥大学研究团队的新研究解释了植物激素赤霉素 (GA) 如何与其他信号相互作用从而改变植物茎的生长，并揭示了从到光明的转变过程中触发的先前隐藏的激素模式。

植物激素支撑植物发育的各个方面，使植物能够动态地适应不断变化的环境。

植物能够根据各种环境刺激改变其生长发育，这种非凡的能力被称为植物可塑性。了解植物可塑性以及植物如何适应生存和优化其生长对于指导农业实践和提高作物在多变环境中的适应力非常重要。

GA 是一种植物生长激素，从植物生命伊始就发挥着重要作用。在中发芽后不久，GA 会刺激下胚轴(发芽幼苗的茎)快速伸长，使幼苗能够快速从土壤中冒出来并接触阳光。

在《植物细胞》上发表的一项研究中，剑桥大学塞恩斯伯里实验室 (SLCU)的亚历山大·琼斯博士团队表明，这不仅仅是 GA 水平，而是复杂的信号传导，以产生植物动态控制其生长和对环境做出反应所需的 GA 梯度。

微小植物的巨大复杂性

通过研究拟南芥幼苗的早期生长，研究小组发现，即使是一株小植物，在生长发育过程中也会发生复杂的信号传导。

琼斯团队先前使用一种名为赤霉素感知传感器 1 (GPS1) 的高灵敏度 GA 生物传感器，该传感器首先在卡内基科学研究所的Wolf Frommer实验室进行设计，随后在剑桥大学塞恩斯伯里实验室 (SLCU) 进行设计，跟踪并量化了快速生长的幼苗不同区域(包括根区)单细胞水平上的 GA 水平变化。

他们最新的研究集中于下胚轴以及控制其快速生长和顶端钩展开的信号。

“在中，赤霉素水平通常较高，你可以看到，较长的细胞比较小的细胞具有更多的赤霉素，但也有一些例外，”这项研究的第一作者、琼斯集团的研究员杰恩·格里菲斯博士说。

“生物传感器显示，GA 和细胞长度之间存在良好的正相关性，但当我们添加更多 GA 时，我们并没有看到细胞长度的增加。这表明我们在下胚轴中看到的 GA 梯度对于细胞伸长是必要的，但还不够。

“经过进一步研究，我们发现 GA20ox1 是设定胚轴细胞 GA 水平的限速酶，并负责产生我们在中看到的 GA 梯度。我们发现这种酶受到 COP1 的严格控制，COP1 是编程中发育的关键调节器，并且 COP1 对中的 GA 梯度至关重要。”

这表明植物暗信号正在促进特定细胞中的 GA，而 GA 反过来又促进暗信号和快速细胞生长。

但是植物如何动态地改变其生长模式?

要有光

一旦暴露在光线下，胚轴的快速生长模式就会发生改变，长出更短、更结实的茎来支撑树枝和树叶的形成。

工厂是否正在降低 GA 或将其转移到工厂的不同部位?

为了观察 GA 在从到​​光明的转变过程中发生的情况，需要一种新的生物传感器，因为 GPS1 是不可逆的，并且不能记录 GA 浓度的下降。

琼斯团队设计了一种新型可逆生物传感器，即赤霉素感知传感器 2 (GPS2)，其功能得到了增强。琼斯博士说：“GPS2 揭示了光诱导生长转变过程中赤霉素消耗的先前隐藏模式，解释了我们在下胚轴生长中看到的变化。”“这种新型生物传感器提供了宝贵的见解，让我们了解赤霉素分布如何将环境条件与植物形态和可塑性联系起来。我们预计，如果能够实现植物发育过程中赤霉素动态的细胞级分辨率，并了解芽萌发、分枝和开花等其他发育阶段的潜在细胞动态，我们将获得重大的新见解。”

了解赤霉素的好处

虽然当时他们并不知道，20 世纪 60 年代绿色革命中选育的高产半矮秆作物携带的基因要么会降低 GA 的生物合成，要么会使植物对 GA 的反应性降低。但 GA 的广泛降低会对其他性状产生负面影响。

在理想情况下，我们希望能够控制植物特定部位的 GA 水平，以产生我们想要的特性——较低的 GA 可使茎长更短，较高的 GA 可使谷粒更大，并更有效地利用氮肥。

琼斯博士补充道：“了解植物发育控制背后的机制可以帮助我们帮助植物做出明智的生长决定，以适应其环境或你将它们放入的田间环境。何时生长、生长多少以及在哪里生长。这些问题通常是基于细胞甚至亚细胞的，通过以更精细的尺度预测激素，我们可以针对我们想要的表型并避免脱靶效应。”

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