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听音乐让植物更有营养?了解天津师范大学杨琳团队的最新研究成果 精选

已有 3666 次阅读 2024-1-25 16:51 |个人分类:环境与农林|系统分类:论文交流

过往的研究结果表明,声音振动作为机械性外力的一种,不仅可用于调节植物的生长和生理发育,而且不同类型的声音还会以不同的方式对植物发育产生影响,但触发这些影响过程的潜在分子信号反应仍有待研究。

天津师范大学生命科学学院天津动植物抗性重点实验室的杨琳团队在Taylor & Francis旗下SCI国际期刊Plant Signaling & Behavior(中文译为《植物的信号与行为》)发表了一篇题为Evidence for the role of sound on the growth and signal response in duckweed(中文译为《声音在浮萍生长和信号反应中所起作用的证据》)的研究文章。

这一研究通过对比和分析试验,揭示了轻音乐对浮萍的蛋白质含量、光化学效率和基因表达有显著影响。与对照组相比,暴露于音乐环境中的植物具有更高的蛋白质含量。具体来说,将浮萍暴露于轻音乐环境中七天之后,其蛋白质含量增加了1.6倍,其光合系统II具有更高的潜在最大光化学效率,足以证明其光化学效率也明显提升。此外,实验组和对照组在1296个基因的表达水平上有所差异,这表明音乐诱导了基因表达的改变,进一步影响植物生长并提高了蛋白质含量。这项研究还表明,谷氨酸和钙信号在植物接触音乐时会增强,这在植物处理声音的过程中可能会发挥作用。

研究背景

声音是一种压力波,可通过固体、液体和气体等多种介质传播。以往的研究表明,植物可以感知声音,甚至可以通过其木质部产生声音来交流信息。正如已有的结论所言,声音在植物的重要生理过程中会产生广泛的影响,例如氧气吸收、存活、根系生长、发芽、果实成熟和授粉等。在生理水平上,声音会影响细胞周期、激素释放、酶和激素活性、免疫功能、RNA含量和基因表达。然而,声音影响植物生理发育的确切机制仍不清楚。一些理论表明,谷氨酸和钙信号通路会对外部刺激产生响应,但其对处于音乐环境下的植物信号分子响应机制影响还尚不清楚。

为了加深对这一问题的认识,本文研究团队将浮萍作为对象,研究音乐处理对其产生的反应。浮萍是一种生长迅速的水生植物,地理分布广泛,便于大量获取。此外,由于浮萍的蛋白质和淀粉积累能力较强、含量较高,浮萍常被用作生产动物饲料和乙醇的原料。因此,找到提高浮萍蛋白质含量的新方法非常具有商业价值和意义。

研究方法

研究小组

  • 首先测量了浮萍叶子(单株)的数量,以此来测量浮萍的生长速度;

  • 使用荧光剂来计算其光合系统II的最大光学效率;

  • 使用分光光度法测定其蛋白质含量;

  • 使用流式细胞仪测定其钙和谷氨酸含量;

  • 并在Illumina高通量测序平台上通过高通量转录组分析来测量其差异RNA表达。

研究结果

七天后,相较于没有接触音乐的浮萍,暴露于轻音乐中的浮萍植物蛋白质含量高出60%。如图1所示,从接触声音的第5天开始,浮萍叶数量明显增加。

与对照组相比,接触音乐的植物光合系统II还具有更高的最大潜在光化学效率(Fv/Fm)。如图2(a)所示,Fv/Fm测试值为0.78。图2(b)显示了与光合天线蛋白相关的通路,红框表示上调的基因表达。这些发现表明,音乐会增强浮萍的光合作用。

将浮萍的根暴露于音乐中16分钟后,谷氨酸信号反应得到促进。从图3中谷氨酸的荧光强度图像可以看出,与没有音乐相比,舒缓的音乐会引起植物产生明显更强的反应。

此外,音乐改变了浮萍1296个基因的表达。与对照组相比,受音乐影响的植物中与糖酵解、细胞壁生物合成、氧化磷酸化和戊糖磷酸通路相关的基因表达有所增加。图4显示了差异表达基因的基因表达分析细节。

值得注意的是,受音乐影响的植物中通过谷氨酸和钙通路的化学信号有所增强,这表明它们参与了植物对声波的处理。声波可以通过促进谷氨酸和钙通路来影响浮萍的生长和其他生理变化。虽然我们观察到了明显的影响,但是音乐如何影响浮萍激素信号相关基因的表达,其确切机制仍需要进一步的研究。

图6:钙信号通路对音乐刺激的反应描绘

如上方图6所示,钙调蛋白(CAM)和钙依赖性蛋白激酶(CPK)在通路中显著下调,对植物的生长发育以及其对应激抗性的反应都产生了影响。

图7:展示植物在暴露于音乐中之后,其新陈代谢机制发生的变化。

此外,正如图 7 所示,在音乐刺激下,与碳水化合物代谢和蛋白质代谢相关的基本生物过程出现了上调。该发现进一步表明,在农业领域利用音乐来刺激植物基因的表达,可促进植物的生长和新陈代谢。

总而言之,轻音乐会对浮萍产生积极的刺激,提高光合效率、生长速度和蛋白质含量。

总结

除了成功揭示浮萍对音乐刺激的反应,该研究更进一步地发现了音乐对代谢通路、叶片数量、蛋白质含量、光合能力以及谷氨酸和钙通路的影响,从而为音乐刺激有助于促进植物生长这一理论,尤其是促进植物蛋白质含量的提高,提供了坚实的基础,为植物声学领域的进一步研究提供了新思路。

关于通讯作者

杨琳,博士、天津师范大学生命科学学院天津市动植物抗性重点实验室。

研究方向主要为水生植物逆境毒理学研究、利用浮萍作为蛋白反应器生产对虾抗病蛋白等。

期刊介绍

期刊首页:https://www.tandfonline.com/journals/kpsb20

Plant Signaling & Behavior 专注于发表有关植物信息交流及其功能的研究,同时还支持跨学科的研究工作,涉及范围包括分子、生理、现象和行为方法等。

期刊囊括的研究主题主要有:

  • 分子、蛋白质复合物、细胞膜、细胞器、细胞和器官

  • 全株植物和植物群落

  • 与病毒、细菌、线虫、真菌、昆虫和动物的相互作用

  • 致病性、共生或捕食性相互作用

审稿速度与接收率

  • 从提交稿件到初审反馈:平均17天

  • 从提交稿件到收到首个评审意见:平均25天

  • 稿件接收率:60%

编辑团队介绍

Plant Signaling & Behavior期刊的主编由来自德国波恩大学的Frantisek Baluska领衔其他三位教授共同担任。

来自中国的副主编及编委会成员包括:

副主编:

  • 侯雨萱 - 中国水稻研究所副研究员

  • 李志永- 中国水稻研究所特聘副研究员

  • 林金星 - 中国科学院研究员

编委会成员:

  • 王程亮- 安徽师范大学生命科学学院特聘教授

  • 杨维才- 遗传与发育生物学研究所研究员

引用本文:

Zi Ye, Rui Yang, Ying Xue, Ziyi Xu, Yuman He, Xinglin Chen, Qiuting Ren, Jinge Sun, Xu Ma, Jerri Hu & Lin Yang (2023) Evidence for the role of sound on the growth and signal response in duckweed, Plant Signaling & Behavior, 18:1, DOI: 10.1080/15592324.2022.2163346

注:本篇推荐文章根据原文翻译整理而成,

内容仅供参考。了解完整研究全貌请以正式发表版本为准。



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