繁殖耐鹽植物
藜麥植物可以作為使其他作物耐鹽的模型。它在鹽漬土壤中生長(zhǎng)良好,因?yàn)檫^(guò)量的鹽只是傾倒在葉子上的特殊氣囊中。
土壤侵蝕被認(rèn)為是一個(gè)使人口營(yíng)養(yǎng)受到威脅的問(wèn)題。其中一個(gè)方面是土壤鹽漬化,其特別影響地球的干旱地區(qū),農(nóng)民被迫大量灌溉他們的田地。溶解在水中的大量鹽,如鈉和氯,會(huì)擴(kuò)散到土壤中,并在水蒸發(fā)后留在那里。該鹽絕技農(nóng)作物,甚至可以使土壤從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看不孕。
“到目前為止培育耐鹽植物的所有方法都必須或多或少地被視為失敗”,德國(guó)巴伐利亞州朱利葉斯 - 馬克西米利安大學(xué)(JMU)Würzburg的植物科學(xué)家Rainer Hedrich教授說(shuō)。它們都旨在使作物在鹽漬土壤上生長(zhǎng),并在此過(guò)程中鑒定耐鹽品種系。但這種方法無(wú)法奏效。
這也是有原因的:“我們的農(nóng)作物是多年繁殖的結(jié)果。在那段時(shí)間里,人類已經(jīng)避免了幾乎所有負(fù)面的環(huán)境影響,因此他們失去了很多自然彈性”,Hedrich解釋道。 。“一旦這些精英線與鹽分過(guò)多接觸,它們通常會(huì)死亡。”
耐鹽植物作為模型
所以Rainer Hedrich和謝爾蓋沙巴拉教授(塔斯馬尼亞大學(xué))一起開(kāi)始制定新戰(zhàn)略。兩位科學(xué)家將他們的賭注押在了天然耐鹽的植物上。
一種這樣的植物是藜麥(Chenopodium quinoa)。它來(lái)自安第斯山脈,已被用作食品7000年。與此同時(shí),這種不含麩質(zhì)和富含維生素的南美假谷物的種子已經(jīng)進(jìn)入歐洲超市貨架。
植物從土壤中吸收鹽分并將其儲(chǔ)存在葉子表面的膀胱狀細(xì)胞中。這可以保護(hù)對(duì)鹽敏感的代謝過(guò)程,甚至在鹽漬土壤上植物也能很好地生長(zhǎng)。
沒(méi)有膀胱細(xì)胞,藜麥患有鹽脅迫
研究人員發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)證明它確實(shí)是膀胱細(xì)胞確保植物的耐鹽性。沙巴拉教授說(shuō):“在奎奴亞藜葉上輕輕一刷就會(huì)導(dǎo)致膀胱細(xì)胞脫落。”除去它們的鹽囊,這些植物生長(zhǎng)在非鹽漬土壤上,與非刷毛樣本一樣。但暴露于食鹽會(huì)嚴(yán)重阻礙其生長(zhǎng)。
藜麥的圓形至橢圓形膀胱細(xì)胞直徑幾乎為半毫米。它們是植物王國(guó)中名副其實(shí)的巨人,通常肉眼可見(jiàn)。它們的儲(chǔ)存容量比葉子表面的任何正常細(xì)胞高1000倍。
鹽處理的價(jià)格是糖
為了深入了解藜麥及其膀胱細(xì)胞的“操作系統(tǒng)”,朱建康教授(上海大學(xué))的工作小組解碼了安第斯山谷的DNA。然后Hedrich教授的團(tuán)隊(duì)比較了葉子和膀胱細(xì)胞的活躍基因。必要的生物信息學(xué)分析由上海大學(xué)的專家和慕尼黑亥姆霍茲中心的Georg Haberer團(tuán)隊(duì)進(jìn)行。
結(jié)果:即使沒(méi)有鹽處理,也有在膀胱細(xì)胞中起作用的基因,其他物種只在植物處于壓力下才有活性。它們包括攜帶鈉離子和氯離子進(jìn)入膀胱細(xì)胞的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。鹽的刺激觸發(fā)了維持應(yīng)激激素ABA信號(hào)路徑所需的其他基因的激活。
儲(chǔ)存鹽會(huì)消耗能量。這種能量是由來(lái)自糖分子的膀胱細(xì)胞產(chǎn)生的,為此目的它們特別從葉子中導(dǎo)入。Hedrich解釋說(shuō),膀胱細(xì)胞從葉子中獲得所需的能量并通過(guò)吸收有毒鹽而往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
雜交對(duì)作物植物的耐鹽性
新發(fā)現(xiàn)已發(fā)表在Cell Reports期刊上。它們將長(zhǎng)期用于耐鹽植物的繁殖。“邁出了第一步”,赫德里奇教授說(shuō)。“我們現(xiàn)在將結(jié)合發(fā)育遺傳學(xué)和鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的功能分析來(lái)理解產(chǎn)生和維持藜麥鹽耐受性的分子機(jī)制。”
JMU研究小組希望學(xué)習(xí)配備極大或極少數(shù)鹽囊的藜麥生產(chǎn)線。它有一個(gè)可以吸引的大型游泳池:到目前為止,已知有大約2000種來(lái)自安第斯山脈的野生和栽培品種。他們工作的最終結(jié)果可能不僅是培育具有更高耐鹽性的藜麥品種,而且還可以將耐鹽基因雜交到相關(guān)的作物植物如甜菜或菠菜中。
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