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氧气对植物的生长发育至关重要。在不利的环境条件下，由于氧气的可利用性有限，植物会出现缺氧，即使在常氧环境下也会出现缺氧的状态。然而，时空氧动力学还没有被很好地研究过，其与植物发育的功能整合仍然未知。
https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.01.006
2024年1月19日，Molecular Plant在线发表了西班牙马德里理工大学Pierdomenico Perata 实验室及合作者题为“Spatiotemporal oxygen dynamics in young leaves reveal cyclic hypoxia in plants”的研究论文。在这项研究中，研究人员首先分析了缺氧反应基因的昼夜表达规律，发现它们的表达具有周期性。之后对其中两个基因（PGB1和PCO1 ）进行进一步分析，发现它们在夜间被诱导表达，证明缺氧反应基因的昼夜模式是由这两个转录因子调控的。
图1 缺氧反应基因表达在夜间被激活
在夜间高氧环境下，周期性缺氧反应基因（cHRG）的表达受到抑制，这表明周期性缺氧是内部氧气下降的结果。VII型乙烯反应因子（ERFVII）是一类转录因子，在拟南芥中调控从有氧代谢到缺氧代谢的转变。与昼夜依赖性ERFVII的稳定性一致，五倍突变体erfVII中cHRG的基因表达显著减少或完全消除（图2）。在轻度缺氧的情况下，ERFVII的稳定性在有氧和厌氧途径之间创造了一种竞争机制，决定了夜间新生叶片的碳消耗速度。简言之，植物中的周期性缺氧机制基于ERFVII，该因子是植物氧气传感机制的核心组成部分。
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图2 周期性缺氧是ERFVII依赖性反应
基因表达分析以及对缺氧反应性葡萄糖醛酸酶（GUS）和荧光素酶（LUC）的评估报告显示，周期性缺氧主要发生在幼嫩的新叶片中。夜间周期性缺氧会影响细胞呼吸和淀粉分解速率，从而调控芽的生长。
图3 幼叶中周期性缺氧的模型
总之，植物中发生的周期性缺氧表现为幼叶中氧气水平的昼夜波动，这一机制转化为缺氧反应基因表达的波动，使叶片生长能够根据植物细胞内的碳状态和氧气供应情况进行精确调整。本研究建立了植物体内时空氧动力学与植物发育过程之间的功能联系。
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