Fd-Irp9-OE 系的温度敏感生长和转录组反应。图片来源： The Plant Cell (2024)。DOI：10.1093/plcell/koae210

佐治亚大学的研究人员找到了一种有前途的方法来解决植物遗传学家长期面临的一个挑战：平衡植物的抗病性和生长性。

根据这项新研究，这一突破可能有助于保护植物免受未来疾病的侵害，同时还能提高生物质产量，以支持人类和动物的可持续粮食供应、生物燃料和木材的生产等。该论文发表在《植物细胞》杂志上。

“对抗病原体一直是农业面临的最大挑战，”这项研究的通讯作者、佐治亚大学沃内尔林业与自然资源学院和富兰克林艺术与科学学院的教授 CJ Tsai 说道。“平衡抗病性和生长的解决方案非常必要，尤其是在气候变化导致疾病压力不断增加的情况下。”

水杨酸可增强抗病能力——但迄今为止，这需要付出代价

水杨酸是一种众所周知的植物激素，在增强抗病能力和耐受极端温度等压力方面发挥着至关重要的作用。

然而，水杨酸水平升高通常会抑制植物生长，这使得在农业中实施基于水杨酸的疾病管理变得困难。之前的研究试图通过基因改造植物来增加水杨酸的产量，但遇到了障碍。

几年前，蔡氏实验室的成员证明了水杨酸对杨树的压力和抗病性的影响，而不会损害植物的生长。他们将同样的策略应用于新研究中的模型植物——拟南芥，创造了一种新版本的植物，其中添加了一个基因，并且水杨酸的含量有所增加。

起初，研究人员并未注意到生长权衡的严重性。

“我们认为这种权衡可能与水杨酸的增加方式有关，”蔡说。“然后突然间，我们得到了一批非常小的植物。我们不知道发生了什么。我们在寒假期间进行了一次大型实验，以为我们会休息一下，让植物生长。”

休息过后，研究人员又回到了比正常植物小的植物上。

“这真是太令人沮丧了。然后，在那个寒冷的一月天，我在热瑜伽馆里，突然想到了这一点，”蔡说。“这与冬天有关。”

研究人员翻阅笔记后发现了一个相关性——温度越低，植物的自来水越冷，植物生长得就越小。在本研究中，研究人员通过修改参与温度反应的特定冷调节基因来减轻温度的影响。

这些基因有助于保护植物免受低温或干旱等压力。但蔡和她的团队意识到，受冷调控的基因对水杨酸产生了负面反应，而水杨酸原本是保护植物免受疾病侵害的。通过“切断”这些基因对水杨酸的反应，植物即使在酸度升高的情况下也能保持正常生长。

蔡英文表示：“在很多情况下，我们看到了增长改善。”

拟南芥 Fd-Irp9-OE 系的表征。图片来源： The Plant Cell (2024)。DOI：10.1093/plcell/koae210

新技术可以让农民在不影响植物生长的情况下保护植物免受害虫侵害

这一发现可能对农作物生产力产生重要影响。

人们早就知道基于水杨酸的策略可以增强对害虫和病原体的抵抗力，但产量的降低阻碍了实际应用。

这项研究提供了一种将生长抑制与防御反应分开的方法，为在农业中使用水杨酸和冷调节基因而不影响作物产量打开了大门。

该团队已开始扩大研究范围，在其他作物上测试这种方法，比如“牧草之王”苜蓿。研究人员将测试这种植物在有限的水和养分供应下生长的能力。如果成功，该技术有望培育出具有气候适应能力的作物。

该论文的共同作者包括 María Ortega、Rhodesia Celoy、Francisco Chacon、Yinan Yuan、Liang-Jiao Xue、Saurabh Pandey、MaKenzie Drowns 和 Brian Kvitko。