埼玉大学研究生院理工学研究科的高桥大辅助教等和大阪公立大学研究生院理学研究科的曾我康一教授、东京工业大学生命理工学院的城所聪助教等人组成的研究团队与乐卓博大学（澳大利亚）、马克斯·普朗克植物分子生理学研究所（德国）联合发表研究结果称，存在于植物细胞壁中的多糖“β-1，4-半乳聚糖”会通过低温驯化而增加，提高“过冬准备”中的抗冻性。“β-1，4-半乳聚糖”会在能够低温驯化、相对抗冻性较高的多个植物物种的细胞壁中积累。研究人员在解析其构造的同时，证实了这种多糖积累降低的拟南芥突变体的抗冻性显著性降低。这一成果将有助于提高农作物的耐寒性。相关成果被刊登于国际学术杂志《Current Biology》2月8日号上。
图1. 低温驯化植物和未驯化植物的抗冻性差异
拟南芥通过低温（4℃）预处理可在-10℃下存活。（供图：埼玉大学）
生长在寒冷环境中的植物为了在严酷的结冻环境中生存下来，当感知到气温下降时，就会进行提高抗冻性的“过冬准备”，这一过程被称之为“低温驯化”。在这一过程中，人们发现了以葡萄糖为主的低分子糖的积累和细胞膜脂质组成发生变化，抗冻蛋白出现积累。然而，对构成最外壁的细胞壁的变化却知之甚少。
此次，研究团队重点研究了构成细胞壁的多糖。构成细胞壁的多糖主要是果胶、半纤维素和纤维素，它们分别是由各种单糖成链状而构成的多糖。
首先，对于能够低温驯化的相对抗冻性高的蔬菜（豌豆、菠菜、日本芥菜、茼蒿），研究人员从磨碎的组织中提取细胞壁，分解多糖并分析了单糖的组成。随后又调查了低温（4℃）驯化后的变化。
结果发现，经过低温驯化后，细胞壁中主要多糖之一的果胶中半乳糖（单糖）的比例增加。另外，半乳糖被认为是来源于果胶侧链中的“β-1，4-半乳聚糖”构造。
此外，在样本植物拟南芥中通过免疫染色使“β-1，4-半乳聚糖”可视化后发现，在低温处理过程中，整个组织的累积量随着时间的推移而增加。通过降解酶和气相色谱质谱仪进行的糖链结合分析等也证实了同样的结果。
已知“β-1，4-半乳聚糖”是在生物体内经过2次酶（GALS 和 UGE）降解后产生的。
因此，研究人员调查了低温驯化导致的这些酶的基因表达量的变化后发现，随着低温驯化，基因表达量迅速增加。
为了验证“β-1，4-半乳聚糖”积累的意义，研究人员使用了其合成量降低的拟南芥突变体来研究低温驯化后的抗冻性。
结果证实，与野生株相比，突变体在低温驯化后的抗冻性（零下10℃）降低。
当使用拉力测试仪检测低温驯化的野生株和突变体叶片的细胞壁的物理强度时，发现野生株的叶片变硬。相比之下，突变株没有发生变化。
研究表明，低温驯化诱导的主要转录调控因子DREB1/CBF和植物激素（ABA：脱落酸）也有可能参与其中。
高桥助教表示“在低温驯化过程中，细胞壁成分‘β-1，4-半乳聚糖’增加的现象可能是广泛存在于双子叶植物中的响应。如果我们能利用此次的发现来了解‘β-1，4-半乳聚糖’相关的详细生理机能，就有可能将其应用在改变各种植物的耐压性上。另外，在了解气候变化对植物的影响的基础上，今后还将着眼于因气温上升而解除低温驯化的过程。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Current Biology
论文：Structural changes in cell wall pectic polymers contribute to freezing tolerance induced by cold acclimation in plants
DOI：10.1016/j.cub.2024.01.045
