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【Cell 】解决百年难题!研究解析了植物 “淀粉-平衡石”假说的分子机制,提出了植物根系感受重力的模型

2023/9/25 9:47:37  阅读:48 发布者:

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重力作为重要的环境因子之一, 在调节植物生长发育及形态建成等方面发挥重要作用(Volkmann and Baluska, 2006)。重力反应是指植物感受到重力刺激后重新定位生长从而维持各器官与重力方向最适角度的一种现象(Firn and Digby, 1997)。在重力刺激下, 植物的根沿重力方向生长, 称为根的正向地性; 植物的地上部器官逆重力方向生长, 称为茎的负向地性(Chen et al., 1999)。植物重力反应过程大致包括以下4个步骤: 重力信号的感应、重力信号的转导、生长素的不对称分布以及重力反应器官的弯曲生长(Strohm et al., 2012)。经典的“淀粉-平衡石”假说提出植物对重力的感应通过淀粉体沉降来实现, 淀粉体是与前质体类似的无色质体, 但含有淀粉颗粒, 在重力感应细胞中作为平衡石起到感应重力的作用(Morita and Tasaka, 2004; Strohm et al., 2012)。富含淀粉体的根柱细胞和茎内皮层细胞分别是拟南芥(Arabidopsis thaliana)地下部和地上部感受重力刺激的重要场所(Fukaki et al., 1998)。对淀粉平衡石细胞中淀粉合成缺陷突变体的研究表明, 淀粉体中淀粉的积累对于调控植物重力反应具有重要作用(Periappu­ram et al., 2000; Yu et al., 2000; Huang et al., 2021; Cai et al., 2023)。当植物偏离重力方向时, 平衡石细胞中的淀粉体就会沿着重力方向发生沉降, 引起植物体内一系列信号分子的改变, 如通过影响生长素运输导致生长素沿着重力刺激的方向不对称分布(Wang et al., 2022)。经典的Cholodny-Went理论提出植物器官上、下两侧生长素的不对称分布导致器官弯曲生长(Went and Thimann, 1937)。已有研究表明, LAZY家族蛋白在多个物种中参与重力刺激后植物上、下侧生长素的不对称分布, 从而介导重力反应(Li et al., 2007; Yoshihara and Iino, 2007; Dong et al., 2013; Taniguchi et al., 2017; Yoshihara and Spalding, 2017)。然而, 重力刺激下, 植物淀粉体沉降和LAZY蛋白定位参与重力响应及调控生长素不对称分布的机制还不清楚。

可喜的是, 近期清华大学陈浩东研究团队系统深入地阐明了植物重力感应途径通过介导LAZY蛋白极性定位调控植物重力反应的分子机制, 回答了领域内悬而未决的重要科学问题(Chen et al., 2023)

Chen(2023)利用LAZY基因自身启动子驱动LAZY-GFP的转基因植株, 在观察拟南芥LAZY蛋白(LAZY2, 3, 4)亚细胞定位的时候, 意外发现LAZY蛋白在根的柱细胞内淀粉体表面也有定位。考虑到植物重力感应器官中淀粉体沉降诱导植物的重力感应, 暗示LAZY蛋白在植物早期重力感应和信号转导过程中可能发挥重要作用。Chen(2023)进一步发现, 去除LAZY蛋白N末端能够减少LAZY蛋白在淀粉体表面的定位, 进而影响LAZY蛋白介导重力反应的功能, 说明LAZY在淀粉体表面的定位对其介导重力反应至关重要。有趣的是, Chen(2023)发现重力刺激能够诱导LAZY蛋白重新极性定位到细胞新的底侧质膜上。更重要的是, Chen(2023)通过巧妙的设计发现重力刺激诱导的LAZY-GFP蛋白在细胞新的底侧质膜的极性定位与淀粉体沉降高度关联, 淀粉体沉降能够促进重力刺激下LAZY蛋白在细胞新的底侧质膜的极性再分布。进一步借助荧光3D重构以及荧光漂白恢复(fluore­s­ce­nce recovery after photobleaching, FRAP)实验, 证实LAZY蛋白能够从淀粉体转移到邻近的质膜上。近期发表在Science期刊上的研究结果也同样发现LAZY蛋白在淀粉体上存在定位, 在重力刺激下LAZY能够随着淀粉体的沉降重新极性定位到邻近淀粉体的质膜上(Nishimura et al., 2023)。进一步借助免疫沉淀偶联质谱分析, Chen(2023)鉴定到LAZY蛋白存在多个磷酸化位点, 并且大部分位点的磷酸化水平随着重力刺激而升高。为了鉴定参与LAZY蛋白磷酸化的激酶, Chen(2023)通过分析LAZY-GFP互作蛋白的质谱数据, 发现被LAZY-GFP共沉淀的MPK3MKK5蛋白水平在受到重力刺激后变化趋势与LAZY蛋白的磷酸化变化趋势一致。Chen(2023)进一步发现, 重力刺激通过MKK5-MPK3磷酸激酶途径能够直接磷酸化LAZY蛋白。通过对LAZY磷酸化位点进行功能分析, 证实其磷酸化对于植物的重力反应具有重要作用。早期研究表明, 位于淀粉体表面的TOC蛋白复合体参与调控植物重力反应(Stanga et al., 2009; Strohm et al., 2014)。考虑到TOC蛋白和LAZY蛋白在淀粉体表面都有定位, 且均有介导重力反应的功能, 暗示二者之间可能存在一定的调控关系。Chen(2023)进一步证实, LAZY蛋白的磷酸化能够增强其与TOC蛋白在淀粉体表面的互作, 促进LAZY蛋白向淀粉体转移。TOC120TOC132基因突变不仅能够打破LAZY蛋白在淀粉体的分布水平, 同时也影响重力刺激, 诱导LAZY蛋白在质膜上的极性再分布, 进而介导植物根的重力反应。有意思的是, TOC蛋白的经典功能是辅助蛋白向质体中转移(Kubis et al., 2004; Andrès et al., 2010), Chen(2023)发现了TOC蛋白的新功能, 即介导LAZY蛋白的快速极性变化, 而并非将LAZY蛋白输入质体, 这也是该研究的重要发现之一。

综上所述, Chen(2023)揭示了LAZY蛋白与淀粉体之间的协作关系, 解析了LAZY蛋白调控植物早期重力感应及重力信号转导的核心机制: 当植物偏离重力方向后, 淀粉体向新的细胞底侧沉降, 驱动LAZY蛋白新极性的形成(1)。该研究进一步阐明了LAZY蛋白在植物重力反应过程中的重要作用, 建立了植物重力感应和生长素不对称分布之间的桥梁, 极大地丰富了“淀粉-平衡石”假说的内涵。该工作大大增进了人们对植物重力反应各个阶段复杂调控机制的深入理解。

(A) 将拟南芥LAZY4-GFP/lazy234幼苗在竖直放置的MS培养基上生长4(持续白光), 然后旋转90o到水平方向进行重力刺激, 重力刺激6小时的根尖表现出明显的向重力弯曲生长(bar=5 mm); (B), (C) 将部分竖直生长的幼苗转移到含有10 μmolL1 CHX (蛋白合成抑制剂)MS培养基上, 并且旋转90o到水平位置进行重力刺激约0.5小时。用共聚焦显微镜采集荧光图片。红色箭头指示淀粉体的位置。白色箭头指示根尖柱细胞中, 下侧细胞膜上与淀粉体邻近的位置有明显的LAZY4-GFP蛋白富集。标有G的箭头表示重力方向。Bars=10 µm

这一突破性研究成果引发人们对经典的“淀粉-平衡石”假说和植物重力反应遗传调控网络更深入的思考。首先, Chen(2023)研究表明, 重力刺激促进LAZY蛋白的磷酸化进而增强其与淀粉体表面TOC蛋白的互作, 调控LAZY蛋白在淀粉体上的分布水平及重新定位到邻近质膜的水平。然而重力如何激活MKK5-MPK3途径, 以及对于LAZY蛋白如何从淀粉体表面LAZY-TOC复合体上解离下来, 进而穿梭到邻近质膜, 相关机制仍不清楚。进一步鉴定质膜上其它的未知组分将有助于深入解析LAZY由淀粉体表面向邻近质膜穿梭的分子机制。其次, 重力刺激条件下植物通过MKK5-MPK3途径迅速磷酸化LAZY蛋白, 然而当植物重新恢复垂直生长后, LAZY蛋白通过什么机制进行去磷酸化, 目前还不清楚。进一步研究LAZY蛋白的去磷酸化机制有助于全面理解LAZY的穿梭机制。此外, 除淀粉体沉降诱导LAZY磷酸化, 进而极性定位到底侧质膜这一机制外, 是否存在淀粉体沉降非依赖的LAZY极性重定位机制尚不清楚。深入研究LAZY是否可以从一侧质膜直接穿梭到另一侧质膜有助于回答这一问题。LAZY蛋白在细胞底侧质膜的极性定位介导生长素极性运输的机制也非常值得探索。此外, 该研究在拟南芥中发现的LAZY介导重力感应和重力信号转导的新机制在水稻(Oryza sativa)等禾本科作物中是否保守也是需要进一步探讨的重要方向。

陈浩东研究团队长期探索物理环境因子(光和重力)对植物生长发育的调控, 近年来在研究植物重力感应与信号转导机制方面取得诸多重要进展。该团队解析了微管马达蛋白参与植物向重力性方向调控的新机制(Li et al., 2021), 阐明了生长素下游SAUR基因的不对称表达调控植物胚轴向重力性的机理(Wang et al., 2020), 揭示了光信号差异性调控LAZY基因表达进而调控植物茎和根向重力性的机制(Yang et al., 2020)。陈浩东研究团队的最新成果(Chen et al., 2023)解析了120年前提出的“淀粉-平衡石”假说的分子机制, 是植物重力感应领域具有里程碑意义的工作。

点评原文PDF下载: 王文广, 王永红 (2023). 百年假说终获解析: 穿梭的LAZY蛋白“唤醒”植物对重力的感应. 植物学报 58, 15.

论文原文PDF下载: Chen JY, Yu RB, Li N, Deng ZG, Zhang XX, Zhao YR, Qu CF, Yuan YF, Pan ZX, Zhou YY, Li KL, Wang JJ, Chen ZR, Wang XY, Wang XL, He SN, Dong J, Deng XW, Chen HD (2023). Amyloplast sedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants. Cell doi: https://doi.org/10.1016/j.cell.2023.09.014

转自:iPlants”微信公众号

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