高温下的植物DNA：从突变到适应
高温下的植物DNA：从突变到适应
2024年3月，扬州大学金飚和徐辰武团队在《基因组生物学》期刊上发表了一项重要研究成果，首次揭示了长期多代高温下植物的DNA突变速率和突变谱规律。这一发现不仅深化了我们对植物适应高温机制的理解，也为应对全球气候变化提供了新的科学依据。
突变是生物进化的驱动力
突变是驱动生物进化的最基本力量。DNA序列突变来自于单碱基替换、小的插入和缺失（indels）以及大的复制/删除，导致基因组序列组成的变化。对一个物种内这些突变的速率、类型和分子谱的准确评估，对于推进对进化生物学中各种问题的理解至关重要，如物种分化时间、种群遗传多样性和有效种群大小、生物体内突变率变化和对特定环境的适应。
扬州大学团队的突破性发现
研究团队以拟南芥为研究对象，通过多代高温胁迫实验，结合全基因组测序技术，首次从种群遗传谱系和单粒种子遗传谱系两个层面揭示了长期多代高温下植物的DNA突变速率和突变谱规律。
研究结果表明，在高温条件下（中度和极度），突变率明显增加，同时还有不同的突变谱、突变基因和突变偏向。这一发现为环境变暖下的植物分子进化提供了重要线索。
植物如何应对高温胁迫？
为了更好地理解植物在高温下的适应机制，科学家们从多个角度展开了深入研究。
南方科技大学朱健康团队在PNAS发表的研究揭示了DNA甲基化在植物适应高温中的作用。研究发现，在主动DNA去甲基化缺陷的拟南芥植物中，DNA甲基化水平会逐代升高。这一发现强调了ROS1在维持表观基因组稳定中的重要作用。
中国农科院生物所普莉团队则从单细胞水平解析了玉米根系对热胁迫的响应机制。研究团队通过单细胞转录组测序技术，绘制了包含超过35,000个有效细胞的单细胞时空转录图谱，发现皮层细胞在热胁迫下表现出最多的差异表达基因，揭示了植物根系在热胁迫下的复杂调控网络。
突变育种：培育耐高温作物的新途径
面对全球气候变化带来的挑战，科学家们正在积极探索通过突变育种技术培育耐高温作物品种。突变育种利用物理辐射或化学手段诱发植物的自发遗传变异，以开发新的作物品种。这种方法可以加速植物的进化过程，培育出具有改良品质的品种。
国际原子能机构的资料显示，通过辐照可以生产具有更高产量、较短栽培时间或耐受气候变化、病害和其他胁迫因素等改良品质的植物品种。这些植物品种的栽培和推广有助于使全球粮食生产更加稳定，并满足农民的需求，特别是在发展中国家和最易受到气候变化影响的地区。
展望未来
随着全球气候变暖的加剧，极端高温天气将更加频繁，这对农业生产构成了严峻挑战。扬州大学等机构的最新研究成果为我们提供了重要的科学依据，有助于我们更好地理解植物在高温下的适应机制。通过突变育种等技术手段，我们可以培育出更多耐高温的作物品种，为保障全球粮食安全做出贡献。