研究揭示植物如何将高二氧化碳的记忆传递给它们的后代

由DonaldDanforth植物科学中心成员KeithSlotkin博士领导的新研究为科学家们打开了大门，让他们能够为植物配备适应不断升高的二氧化碳(CO2)水平、高温，以及与气候变化相关的其他压力因素。该研究发表在《新植物学家》杂志上。

研究表明，跨代遗传是通过DNA甲基化发生的，即植物在不改变DNA本身代码的情况下“标记”DNA的过程，为后代的细胞提供有关如何“读取”该DNA的信息。该过程在两种主要植物物种苔藓和拟南芥中得到确认，并通过将亲本植物暴露在类似的不理想生长条件下，为植物在压力下的生长做好准备创造了机会。

“我们现在了解了能够记忆应激反应的特定DNA甲基化因子，”斯洛特金说，“所以在未来我们可以操纵这一过程来产生对这种压力具有永久弹性的植物。”

有了这些知识，植物的亲代可以在压力条件下有意地在受控环境中生长，这将使它们达到极限，从而使它们的后代受益于增强对压力源的适应力。例如，像玉米这样的主要作物可以在极端高温下生长，在它可以生存的边缘，从这种玉米中收集的种子将产生一种高度耐热的玉米作物，可以在一个地方种植经历不断上升的温度。

(最左边)生长中的拟南芥植物的高通量活体表型分析;(左中)识别植物区与非植物区;(右中)识别单个植物;(最右边)估算单株植物的叶面积。图片来源：DonaldDanforth植物科学中心

这种不寻常的环境记忆是植物独有的，不同于动物如何将眼睛颜色或身高等遗传特征从一代传给下一代。

由于缺乏逃跑或寻求庇护的能力，植物必须适应自然环境才能生存。干旱或极端温度等压力源会引发压力反应，这种反应持续时间超过最初暴露于压力源的时间;例如，一种在其生长周期早期能经受极端高温的植物将在以后再次经受极端高温，即使第二次的高温更加极端。

令人着迷的是，这种增强的复原力并没有随着植物个体的生命周期而结束——植物可以将这种行为传递下去，将压力的细胞记忆传递给它的后代。

丹佛斯中心首席研究员KeithSlotkin博士说：“母本植物可以向其后代提供有关环境的任何线索都将有助于后代对他们可能遇到的任何事情做出最有效的反应。”“这就是‘杀不死你的东西会让你变得更强大’的行动，跨越几代人。”

以前研究过这种现象，但新研究特别关注两种重要植物中CO2反应的跨代遗传：苔藓和拟南芥。研究植物对高浓度CO2的反应尤为重要，因为气候变化可能会在全球范围内改变植物的生长。确认苔藓中高CO2适应性的跨代遗传具有重要意义，因为它在进化上与已研究的其他植物相距甚远，表明这种行为是多种植物的普遍规律。拟南芥是一种常被研究的模式植物，它使团队能够仔细研究负责建立压力记忆的机制并将这种记忆传播给下一代。

“只有在丹佛斯中心，我们才能将这种多样化的科学专业知识汇集起来，然后将其与尖端的植物生长基础设施相匹配，使我们能够每小时从上方拍摄植物在不同CO2水平下生长的图像，”该研究的主要作者、博士后研究员KaushikPanda博士说。

该团队目前正在研究水稻和烟草等其他重要作物，以收集有关它们行为的数据。他们还在寻求更深入地了解这些过程在分子水平上发生的事情。