气候变化已经损害了农业产量，并可能有一天对世界粮食供应构成重大威胁。设计更具复原力的作物，包括那些能够在干旱或高土壤盐度水平下茁壮成长的作物，是日益紧迫的需求。

南加州大学凯克医学院的一项新研究揭示了植物如何调节其对压力的反应的细节，这可能对这些努力至关重要。

研究人员发现，植物利用生物钟来响应全天外部水和盐水平的变化。同样的电路——由ABF3蛋白质控制的优雅反馈回路——也有助于植物适应干旱等极端条件。研究结果发表在《美国国家科学院院刊》杂志上。

“最重要的是，植物被困在原地。它们无法到处跑来喝水。当它们想要的时候，它们无法移动到阴凉处，也无法远离含盐量过多的土壤。正因为如此，它们该研究的资深作者、凯克大学神经病学、生物医学工程和定量计算生物学教务长教授SteveA.Kay博士说：“我们已经进化到能够利用生物钟来精确地测量和适应环境。”医学院兼南加州大学迈克尔逊融合生物科学中心主任。

这些发现建立在凯实验室关于生物钟蛋白在植物和动物中的作用的长期研究的基础上。时钟蛋白可以调节一天中的生物变化，可能为作物工程中持续存在的挑战提供精明的解决方案。

培育抗旱植物很困难，因为植物通过减缓自身的生长和发育来应对压力——过度的压力反应意味着植物表现不佳。

凯说：“提高植物的胁迫耐受性与最大化其生长和产量之间存在微妙的平衡。”“气候变化使得解决这一挑战变得更加紧迫。”

寻找反馈循环

先前的植物生物学研究表明，时钟蛋白调节植物中约90%的基因，并且对于植物对温度、光照强度和日长的反应至关重要，包括决定植物何时开花的季节变化。但一个悬而未决的大问题是时钟蛋白是否以及如何控制植物应对水和土壤盐分水平变化的方式。

为了探索这种联系，Kay和他的团队研究了拟南芥，这是一种常用于研究的植物，因为它体积小，生命周期快，基因组相对简单，并且与许多农作物具有共同的性状和基因。

他们创建了一个包含2,000多种拟南芥转录因子的文库，这些转录因子是控制基因在不同情况下表达方式的蛋白质。转录因子可以提供有关生物过程调节的重要见解。然后研究人员建立了一个数据分析管道来分析每个转录因子并寻找关联。

凯说：“我们得到了一个非常大的惊喜：时钟调节的许多基因都与干旱反应有关，”特别是那些控制激素脱落酸的基因，脱落酸是植物在水位非常高或水位很高时产生的一种应激激素。非常低。

分析表明，脱落酸水平由时钟蛋白和转录因子ABF3控制，Kay称之为“稳态反馈环路”。在一天中，时钟蛋白调节ABF3以帮助植物对水位变化做出反应，然后ABF3将信息反馈给时钟蛋白以控制应激反应。当条件变得极端时，例如在干旱期间，同样的循环可以帮助植物适应。遗传数据还揭示了处理土壤盐分水平变化的类似过程。

凯说：“这个回路的真正特别之处在于，它允许植物对外部压力做出反应，同时保持其压力反应受到控制，以便它能够继续生长和发育。”

设计更好的作物

研究结果指出了两种可能有助于提高作物恢复能力的新方法。其一，农业育种者可以在昼夜节律ABF3回路中搜索和选择自然发生的遗传多样性，从而使植物在应对水和盐胁迫方面具有轻微优势。即使恢复力的小幅提高也可以大幅提高作物产量。

Kay和他的同事还计划探索一种基因改造方法，使用CRISPR改造促进ABF3的基因，以设计高度抗旱的植物。

凯说：“这可能是思考如何调节农作物以增强其抗旱性的重大突破。”

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