【Science重磅】研究揭示植物向地性的分子机制，支持重力感应的位置传感器假说

2023年9月1日，Science在线发表了日本国家基础生物学研究所、日本国立综合研究大学院（SOKENDAI）Miyo Terao Morita团队及其合作者题为“Cell polarity linked to gravity sensing is generated by LZY translocation from statoliths to the plasma membrane”的研究论文。该研究发现LZY家族蛋白可作为位置感应的信号分子，通过淀粉体到质膜PM的易位将淀粉体位置信息传递到PM，从而诱导后续的信号；揭示了LZY介导重力信号传递的分子机制，并支持重力感应的位置传感器假说。

DOI: 10.1126/science.adh9978

植物感知重力方向，并调整其生长方向的过程称为向地性 (gravitropism)；主要通过特殊细胞中的平衡石（statoliths）来感知。在开花植物中，积累淀粉的质体（称为淀粉体amyloplasts）通过向重力方向位移而充当平衡石，并促进下游的向地性。淀粉体位移被认为会促进生长素在重力方向上的运输，从而导致器官弯曲。关于淀粉体位移在特殊细胞中产生生化信号的传感机制，主要有以下假设：力传感模型 (force-sensing model) 和位置传感器假说 (position sensor hypothesis)。然而，重力感应和信号传导的分子机制，在很大程度上仍然未知。

在拟南芥中，LZY 蛋白已被证明可在芽和根中的淀粉体移位后通过信号传导来控制生长素的定向流动；但其详细机制并不清楚。该研究发现，PM 关联的LZY3区域B 和 A及其周围序列，可与阴离子膜的脂质发生静电相互作用，并在维持低LZY3水平的过程中分别发挥主要和次要作用。同时显示，LZY3 的 PM 定位是其行使重力信号功能所必需的（Figure 1）。

Figure 1. LZY3 中的膜关联位点是其亚细胞定位和根向地性所必需的

LZY4在根向地性过程中，与LZY3具有冗余性。该研究发现，LZY4在根特殊细胞中的分子功能几乎与LZY3相同；并显示，包括结构域 I 的 N 端区域参与了 LZY3/4 介导的淀粉体定位。此外，研究人员显示，ARG1 和 ARL2 可能通过其伴侣活性参与了LZY 向淀粉体的聚集（Figure 2）。

Figure 2. LZY4 定位在小柱细胞中的淀粉体和基底质膜

利用共聚焦显微镜的细胞实时成像，该研究发现，LZY4的极性定位可在重力刺激下迅速变化；表明淀粉体沉积是LZY4 在 PM 上极化所必需的（Figure 3左）。

那么，LZY4的淀粉体定位与其在PM上极化之间存在着什么样的关系呢？该研究证实，淀粉体是LZY4在PM上极化的决定因素；LZY在PM 上的极性是根据淀粉体的位置形成的，通过LZY从淀粉体到PM的易位（Figure 3右）。这些结果表明，LZY的分子机制符合位置传感器假说：LZY充当信号分子，将平衡石的位置信息传输到PM，从而将重力感应与后续的信号过程直接联系起来；并招募RLD以促进生长素沿重力方向极性流动。

综上所述，该研究阐述了LZY家族蛋白介导重力信号传递的分子机制：LZY作为位置感应的信号分子，通过其从淀粉体到PM的易位将特殊细胞中的淀粉体位置信息传递到PM，从而促进生长素沿重力方向的极性流动，将重力感应与后续的信号过程直接联系起来；支持重力感应的位置传感器假说。

来源：MP植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

如有侵权，请联系本站删除！