对于一些植物来说，比如内布拉斯加州种植最广泛的作物玉米，零度以下的气温会引发一连串致命的破坏。冰冻条件导致植物内部形成冰晶，导致细胞脱水和不可逆的膜损伤。

但对其他植物来说，比如开花植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)，这种伤害不是永久性的，植物可以从寒冷中恢复过来。内布拉斯加大学林肯分校的生化学家丽贝卡·罗斯顿(Rebecca Roston)正在研究拟南芥抵御寒冷温度能力的特性和途径，其长期目标是让科学家能够设计出耐冻作物。

她获得了美国国家科学基金会(National Science Foundation)颁发的为期五年、近85万美元的教师早期职业发展计划(Faculty Early Career Development Program)奖励，以推进这项工作。

开发耐寒作物将提高全球粮食安全，以应对快速增长的人口。预计到2050年，全球人口将从目前的75亿增长到96亿以上。尽管气候变化导致气候不稳定，但这种快速增长要求提高产量。一种解决方案是转基因作物能在零下温度下存活，这将延长生长季节，并允许在更冷的气候下生产。

但目前，科学家尚不清楚使抗冻性得以实现的确切机制，这使得他们无法在工程植物中复制关键途径。

生物化学助理教授罗斯顿说:“当你想要设计耐受性时，你必须知道要设计什么。”“这就是为什么我们正在研究拟南芥叶绿体膜对寒冷的功能性反应，以及这些变化是如何赋予耐受性的。”

罗斯顿之前的研究发现了一种名为“冻敏蛋白2”(Sensitive to Freezing 2，简称SFR2)的蛋白质，它在阻止寒冷诱导的细胞损伤方面发挥了关键作用。但究竟是什么激活了SFR2仍不清楚。尽管Roston的团队发现了细胞酸性上升和SFR2激活之间的联系，但他们不认为前者直接触发后者。寒冷的天气也不会直接影响蛋白质。

“我们知道还有一些额外的信号，”罗斯顿说，他是该大学植物科学创新中心的成员。“寒冷会触发这个信号，这个信号会影响SFR2酶，然后它就开始工作了。”

她推断，这个神秘的信号是一种激酶，一种为磷酸化过程提供燃料的酶。在这个过程中，蛋白质获得一个磷酸基团，这一改变触发了某些功能。对于SFR2来说，磷酸化可能会触发对冰冻温度的保护反应。

Roston说，精确地绘制出多米诺骨牌链——从冷冻温度到激酶激活再到SFR2的作用——是很重要的，因为它为试图利用SFR2设计抗冻植物的科学家提供了关键信息。

“现在，我们已经大致了解了应对寒冷的途径。但我们不知道应该‘推动’哪个部分，让植物变得不同，”她说。“如果我们‘推动’错误的部分，它将不会有效。”

罗斯顿还在调查SFR2如何提供保护。她知道，这种蛋白质一旦被激活，就会通过消耗、去除或积累某些类型的脂质来重塑植物的叶绿体膜。现在，她正在研究这些变化是如何在冰冻温度下稳定薄膜的。

对于该项目的教育部分，罗斯顿正在生物化学系和内布拉斯加州校友会之间建立伙伴关系，将本科生与从事相关职业的校友联系起来。她还发起了植物科学研究协会(Plant Science Research Association)，这是一个面向博士后和学生研究人员的组织，专注于科学传播。

此外，罗斯顿正在制作一部完整的图形小说，以帮助公众更好地了解作物的基因工程。在一位专业作家和艺术家的帮助下，她将创作一件作品，分发到不同的场所，包括本科生物学课程、内布拉斯加州博览会展览和大学年度女性科学会议。

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