Intro
植物细胞中光受体分子作为温度计读取季节性温度变化的发现。
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植物细胞中的一种光受体分子被发现在天黑后具有作为温度计的第二份工作——使植物能够读取季节性的温度变化。
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科学家表示,这一发现有助于培育出对预期由气候变化引起的温度更具适应力的农作物
A
研究人员揭示了光敏色素在黑暗中改变功能以测量夜间热量并决定植物发育。
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由剑桥大学领导的一个国际科学家团队发现,植物中的“温度计”分子使它们能够根据季节性温度变化进行发育。
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研究人员揭示,被称为光敏色素的分子——植物在白天用来探测光线的分子——实际上在黑暗中会改变其功能,成为测量夜间热量的细胞温度计。
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发表在《科学》杂志上的这项新发现表明,光敏色素控制着响应温度和光线的基因开关,以决定植物的发育。
B
夜间光敏色素状态变化速度与温度之间的比例关系。
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科学家说,在夜间,这些分子会改变状态,且它们改变的速度与温度成正比,科学家们将光敏色素比作温度计中的水银。
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天气越暖和,分子变化就越快——从而刺激植物生长。
C
关于植物温度反应性的历史知识以及对其潜在分子机制的现代精准定位。
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几百年来,农民和园丁们一直知道植物对温度有多敏感:温暖的冬天会导致许多树木和花卉早发芽,人类长期以来一直利用这一点来预测来年的天气和收获时间。
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最新研究首次精准定位了植物中对温度做出反应的分子机制——这通常会触发我们在冬末渴望看到的春天的新芽。
D
这一发现有助于培育适应气候变化的农作物,以保障未来农业产量的潜力。
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由于气候变化,天气和温度将变得越来越不可预测,研究人员表示,发现这种感光分子还起到植物细胞内温度计的作用,可能有助于我们培育出更坚韧的农作物。
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“据估计,到2050年农业产量将需要翻一番,但气候变化是实现这一目标的主要威胁。
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温度每升高1度,热应力就会使农作物产量减少约10%,”来自剑桥大学塞恩斯伯里实验室的首席研究员菲利普·威格博士说。
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“发现允许植物感知温度的分子,有潜力加速培育对热应力和气候变化具有复原力的农作物。”
E
光敏色素在白天响应光线并在夜间经历取决于温度的暗逆转的机制。
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如果一株植物发现自己处于阴凉处,光敏色素就会迅速失活——使其能够长得更快,以再次寻找阳光。
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这就是植物竞争以逃避彼此阴影的方式。
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“光驱动的光敏色素活性的变化发生得非常快,不到一秒钟,”威格说。
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“就像温度计中的水银上升一样,光敏色素在夜间恢复到非活跃状态的速率是温度的直接量度,”威格说。
F
温度对暗逆转速率的影响解释了季节性生长的差异以及温度感知的进化背景。
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“温度越低,光敏色素恢复非活性的速率就越慢,因此分子花更多的时间在活跃的、抑制生长的状态下。
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这就是为什么植物在冬天生长得比较慢。
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温暖的温度加速了暗逆转,因此光敏色素迅速达到非活跃状态,并将自身从植物的DNA上分离——允许基因表达并恢复植物生长。”
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威格认为,光敏色素的温度感知功能是在较晚的阶段进化出来的,并在夜间停机期间利用了已被用于基于光线生长的生物网络。
G
不同植物物种对温度和日照长度的依赖性差异解释了用于预测天气的传统生态童谣。
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事实上,光敏色素双重作用的发现,为一首长期用来预测即将到来季节的著名押韵诗提供了科学依据:橡树先于白蜡树发芽,我们将只有零星小雨;白蜡树先于橡树发芽,我们将迎来大雨倾盆。
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威格解释说:“橡树更多地依赖温度,可能利用光敏色素作为温度计来决定发育,而白蜡树则依赖测量日照长度来确定其季节性的时间。
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正如英国人再清楚不过的那样,一个更冷的夏天很可能是一个雨水浸透的夏天。”
H
这项合作研究对农作物遗传基因操作以确保未来粮食安全的更广泛影响。
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这项工作是在一个模型系统中完成的,使用了一种名为拟南芥的芥菜植物,但威格表示,温度感知所需的光敏色素基因也存在于农作物中。
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“植物遗传学的最新进展现在意味着,科学家能够快速识别农作物中控制这些过程的基因,甚至使用精确的分子‘手术刀’来改变它们的活性,”威格补充道。
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“剑桥大学在开展此类研究方面具有得天独厚的优势,因为我们附近有杰出的合作者,他们致力于植物生物学更偏应用层面的工作,并且可以帮助我们将这种新知识转移到田间。”