科学家——和园丁——早就知道，当植物被近邻植物遮荫时，它们会长得更高，开花也更快。现在，索尔克研究所的研究人员首次展示了这一过程的详细内部运作方式。
该研究于 2021 年 6 月 17 日发表在Nature Genetics 上，对基因活动如何指导植物生长以及植物对环境的反应速度提供了新的理解——光照条件的变化可在短短五分钟内触发分子变化。随着气候变化使地球的耕地面积缩小，这些发现为如何提高产量和保护世界粮食生产提供了见解。
“这篇论文以高分辨率显示了植物如何在细胞水平上对微妙的环境变化做出反应，”共同通讯作者、索尔克植物分子和细胞生物学实验室主任、霍华德休斯医学研究所研究员、该研究的持有人 Joanne Chory 说。 Howard H. 和 Maryam R. Newman 植物生物学主席。“随着气候变化影响的加剧，揭示植物如何适应更大环境压力的工作将至关重要。”
阴凉处的植物长得更快更高，以努力突破树冠并获得更多光线。同时，阴凉的生长条件使它们比正常情况更早开花和产生种子，以便在竞争中胜过其他植物。这些反应可能对在草地上生长的野花有所帮助，但在农场中，它们会减少产量并导致苦涩的低质量作物——任何生菜抽薹的园丁都知道。
在这项新研究中，研究人员研究了特定转录因子在激活这种生长反应中的作用。转录因子是通过与 DNA 结合来开启或关闭基因的蛋白质。
该团队研究了缺乏称为 PIF(PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORs)转录因子的突变幼苗。当他们在模拟阴凉的环境中种植这些植物时，没有某些 PIF 的植物并没有拉长或加速它们的生长，而是继续正常生长，就好像它们在充足的阳光下一样。此前，Chory 实验室表明 PIF7 在调节遮荫诱导的生长方面发挥着最重要的作用。
然后研究人员仔细研究了组蛋白在这个过程中的作用，特别是组蛋白变体 H2A.Z。组蛋白是类似于 DNA 链线轴的蛋白质。当组蛋白被交换或修饰时，它们可以激活或抑制某些基因。
科学家们发现，树冠遮荫导致通过 PIF7 的 DNA 结合去除生长调节基因处的组蛋白 H2A.Z，进而激活它们的表达。
通过在实验中使用非常短的时间间隔，研究人员发现 PIF7 被激活，结合其目标基因，并开始去除 H2A.Z，所有这些都在植物经历树冠遮荫的前 5 分钟内完成。
共同通讯作者、霍华德休斯医学研究所研究员兼索尔克基因组分析实验室教授约瑟夫埃克说：“我们的研究描述了植物如何改变其基因表达以响应不断变化的环境的机制理解的又一步。”
先前的研究已经确定 PIF 和 H2A.Z 在植物暴露于高温的反应中具有重要作用;然而，合著者、霍华德休斯医学研究所 Chory 实验室的研究专家 Björn Willige 指出，事件发生的时间尚不清楚。
“我们的研究详细揭示了这一机制，并显示了反应的快速性质。我们发现，当 PIF7 处于活动状态时，它会与 DNA 结合。我们的数据表明，这会导致 H2A.Z 从 DNA 中去除。随后，基因被激活，然后这会诱导生长，以超越邻近的植物，”威利格说。
合著者、罗格斯大学瓦克斯曼微生物研究所助理教授马克·赞德说，这个过程的速度出乎意料。他指出，除了在五分钟内触发压力反应外，当去除阴影时，组蛋白景观也会迅速恢复。
“当我们去除阴影时，PIF7 靶基因的 H2A.Z 水平在 30 分钟内恢复正常，”他说。“我对这个过程的动态性感到惊讶，这确实是我们研究优雅的基础。”
PIFs 在植物的生长、发育和害虫防御中发挥着重要作用。因此，该团队希望他们的发现可以转化为对农民很重要的其他植物反应，特别是在帮助植物更能适应气候变化方面。索尔克研究所的“利用植物倡议”旨在通过优化植物捕获和储存碳的自然能力来帮助解决气候变化问题。
