【Science】想法很重要！一个不起眼的植物突变体表型，揭示植物向光性响应精准调控机制

以下文章来源于MPlant植物科学 ，作者供稿 | SCI Shi

Science在线发表了瑞士洛桑大学Christian Fankhauser团队及其合作者题为“Air channels create a directional light signal to regulate hypocotyl phototropism”的研究论文。该研究发现ABCG5的突变会使下胚轴透明并影响植物的向光性，ABCG5可在植物幼苗形成细胞间空气通道，限制下胚轴中的光透射，从而有助于植物的精确向光性响应；阐述了植物中物理结构对定向光传感的作用机制。

鉴于该研究的重大意义，Science同日在线发表了剑桥大学Christopher Whitewoods题为“Air spaces bend light in plant stems”的评论短文。

DOI:    10.1126/science.adh9384

人的眼睛通过晶状体和角膜将光线聚焦到视网膜上，从而使感光色素吸收光线并让大脑形成图像。这种分子传感和光的物理弯曲的完美结合，使人类能够更准确地对周围环境做出反应。在植物中，向光性光受体（phototropin photoreceptors）可感知光的方向，从而触发植物的定向生长，称为向光性（phototropism）。尽管数十年的工作已经确定了植物向光性背后的分子机制；但植物是否也通过物理方式改变光束以增强其响应能力，尚不清楚。

该研究在筛选向光性降低的拟南芥幼苗时，发现了一株具有透明下胚轴的突变体，并鉴定出其对应的基因为ABCG5。研究人员显示，野生型植物对光信号表现出钟形通量响应曲线，但abcg5 突变体对光信号没有响应；表明abcg5幼苗特有的向光性缺陷可能是由于透明的下胚轴所致（Figure 1）。

Figure 1. 透明下胚轴突变体对光方向的感知受损

已有研究表明ABCG5是子叶角质层（cuticle）发育所必需的，其突变体幼苗在光生长中表现出更高的子叶通透性。利用透射电子显微镜（TEM），该研究发现abcg5和野生型之间不存在角质层、细胞壁厚度或可溶性色素的差异；但野生型幼苗的细胞间存在空气通道，但突变体中则没有。这些结果表明，空气通道限制了拟南芥下胚轴中的光透射，从而有助于植物的向光性（Figure 2）。

Figure 2. 野生型和abcg5下胚轴的区别在于空气通道的存在

为了进一步测试空气通道对植物向光性响应是否是必要的，研究人员分别在拟南芥和芸苔属幼苗中比较了对照和水渗透对植物生长、向地性和向光性的影响；并发现水渗透在两个物种中都降低了植物的向光性，但不影响其向地性。

最后，该研究显示，细胞间空气通道增强了光散射，从而限制了穿过下胚轴的光透射率。利用pPHOT1:PHOT1-GFP报告基因，该研究发现空气通道会使下胚轴中的光梯度变陡，从而改变光路并执行精确的向光性反应（Figure 3）。

Figure 3. 空气通道可在下胚轴中产生定向光信号

综上所述，该研究在弱向光性突变体筛选中鉴定到了ABCG5基因，其突变体的下胚轴表现为透明状且缺乏细胞间空气通道；发现了植物可以利用细胞间空气通道主动改变光路以精确调控植物的向光性，强调了物理结构在环境传感中的重要性，并为理解空气空间在其他环境中的作用开辟了新途径。

来源：Molplant植物科学

转自：“iPlants”微信公众号

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