研究表明植物如何适应寒冷的环境温度和霜冻
由于植物是固着生物，它们必须具有高度灵活性才能适应各种环境条件才能生存。凯泽斯劳滕理工大学植物生理学系的研究人员正在研究植物的适应机制，特别是对光强度或温度等非生物胁迫因素的适应机制。
他们现在已经达到了一个新的里程碑。博士学生安娜丽莎·约翰(AnnalisaJohn)在她的研究工作中使用了模型植物拟南芥(Arabidopsisthaliana)来解码植物使用哪些细胞机制来适应寒冷的温度和霜冻。研究结果发表在《植物细胞》杂志上。
一般来说，植物改变其代谢过程是对寒冷气温开始的典型反应。这主要影响包围细胞和细胞器的生物膜的结构，充当薄边界层。
“当暴露在寒冷中时，组成细胞膜的脂质双层的组成必须快速有效地改变，”正在攻读博士学位的约翰解释道。植物生理学博士，是该研究的第一作者。即使在较低的环境温度下，这些适应对于保持膜的流动性或移动性是必要的，这是其功能的重要先决条件。
为了适应和重塑细胞膜的组成，植物开始产生新产生的脂质。合成发生在两个细胞区室：叶绿体和内质网(ER)。为此，脂肪酸(代表脂质合成的基本组成部分)必须首先在绿色叶绿体内合成，然后脂肪酸才能通过转运蛋白脂肪酸导出1(FAX1)转运出叶绿体以便随后进入急诊室。
“在这些研究之前，我们的研究小组已经观察到，除了其他蛋白质外，当拟南芥植物暴露在低温下时，FAX1的丰度显着下降，”John说。“然而，我们不知道这种减少是否与寒冷和霜冻适应有关，以及如何控制FAX1蛋白丰度的目标减少。”
叶绿体提供了答案
John发现，连续大量产生FAX1蛋白的植物突变体(所谓的FAX1过表达子)并暴露在寒冷的温度下会表现出以下行为：它们生长效率低下，往往过早衰老，表现出光合作用缺陷，并产生大量的FAX1蛋白。有毒物质——活性氧，例如超氧化氢。
此外，叶绿体和内质网中的平衡脂质合成受到FAX1永久脂肪酸输出的干扰，这与野生型植物中的情况显着不同。虽然野生型在寒冷期间特别激活叶绿体中的脂质合成，但FAX1过表达细胞在内质网中合成相当多的脂质。
“我们还发现了一种专门在寒冷温度下降解FAX1的蛋白酶，称为菱形蛋白酶11(RBL11蛋白酶)，”John解释道。“与FAX1一样，RBL11位于叶绿体的内膜中。缺乏RBL11蛋白酶的植物突变体表现出与FAX1过表达者相同的症状。我们现在知道FAX1在寒冷中的降解对于适应低温环境非常重要我们也知道降解是如何发生的。”
“这个协调研究计划的目的是了解叶绿体在植物适应不断变化的环境条件方面的多种功能。约翰女士的博士论文的研究结果将为该研究计划做出重要贡献。因此，有可能专门优化敏感作物的耐寒性，使它们能够在低温甚至霜冻的自发阶段生存，”植物生理学系负责人EkkehardNeuhaus教授博士说。