日本研究人员揭示含羞草的“害羞”机制及其生理意义

2022年11月14日，Nature communications在线发表了日本埼玉大学、美国威斯康星大学Masatsugu Toyota和日本国家基础生物学研究所Mitsuyasu Hasebe联合团队题为“Calcium-mediated rapid movements defend against herbivorous insects in Mimosa pudica”的研究论文。含羞草快速运动的生理意义一直是植物科学的谜团之一。该研究通过测量含羞草细胞溶质中的Ca2+和电信号，发现胞质Ca2+是诱导叶片快速运动的长距离快速信号，并与电信号在时空上耦合，食草昆虫攻击含羞草也会诱导胞质Ca2+增加和叶片快速运动；揭示了含羞草叶片快速运动的分子机制及其生理作用。

https://doi.org/10.1038/s41467-022-34106-x

动物拥有专门的系统来感知环境，例如神经肌肉系统，然后快速移动身体以做出反应。含羞草（Mimosa pudica）是一种敏感型植物，虽然缺乏类似动物的神经元和肌肉组织，但它能在几秒钟内感知各种刺激（如触摸或伤害）并几乎立即移动它的叶子。通常认为，植物可使用长距离传输的电信号与远端组织共享本地的刺激信息。作用于含羞草叶片的非伤害性刺激，会诱导膜电位的快速去极化，形成动作电位（AP），并向小叶、小穗轴和叶柄基部的运动器官或叶枕（pulvinus）传播。如果是伤害性刺激（如切割或燃烧），会同时产生AP和更持久的去极化，形成变异电位（VP）。已有研究推测，当电信号在含羞草传播时，收缩（伸肌）侧的叶枕细胞由于水分的流出，导致膨胀压力减小而收缩，瞬间折叠小叶并使叶柄下垂。尽管如此，迄今为止并没有支持这些推测的明确证据，含羞草叶片快速运动的潜在机制以及触发它发生的信号网络，仍不清楚。

为了确定含羞草叶片快速运动是否受Ca2+和电信号调节，该研究创建了Ca2+指示剂GCaMP6f16的转基因含羞草，以实时监测细胞溶质中Ca2+浓度 ([Ca2+]cyt) 的动态变化。结果显示，机械接触会快速增加各种器官（例如花芽和根）中的[Ca2+]cyt，但其空间定位不变；这不会影响叶片运动。与此不同，剪刀触摸或伤害可在小叶底部诱导 [Ca2+]cyt，同时沿小叶轴依次触发叶片运动。通过Ca2+成像显示，伤口诱导的[Ca2+]cyt增加要早于叶片运动，约 0.15s。另外，Ca2+通道阻滞剂La3+预处理含羞草叶片，可阻止[Ca2+]cyt增加和叶片运动；表明叶枕中[Ca2+]cyt的增加可诱导叶片的快速运动（Figure 1）。

Figure 1. 叶枕中[Ca2+]cyt的增加可诱导叶片的快速运动

接着，研究人员通过监测叶子的远轴侧的GCaMP6f荧光，来研究[Ca2+]cyt从伤口部位到小穗轴叶枕的[Ca2+]cyt传播。结果显示，伤口部位诱导的[Ca2+]cyt增加，会以1.31±0.17 mm/s的速度在小叶静脉中传播，从而介导三级叶枕中[Ca2+]cyt的突然增加和叶片运动；并进一步在小穗轴中双向传播。另外，La3+和Ca2+螯合剂EGTA的预处理，延缓了远端[Ca2+]cyt的增加和传播，但对伤口部位的[Ca2+]cyt影响不大。这些结果表明，[Ca2+]cyt在受伤的含羞草中充当触发叶片运动的长距离快速信号（Figure 2）。

Figure 2. [Ca2+]cyt是触发叶片运动的长距离快速信号

如上所述，非伤害性刺激仅触发AP，而机械伤害会同时产生AP和VP，并由小轴向叶枕传播。那么，[Ca2+]cyt和电信号之间有什么关系呢？该研究发现，触碰含羞草羽片（pinna）顶部会诱发单峰[Ca2+]cyt信号和AP，并伴有小轴的叶片运动；而伤害小叶则会在小穗轴中触发双峰[Ca2+]cyt与AP/VP组成的电信号。此外，La3+和EGTA预处理会同时抑制[Ca2+]cyt和APs/VPs的增加；表明Ca2+变化的长距离传输与AP/VP在时空上耦合，从而触发含羞草的快速叶片运动（Figure 3）。

Figure 3. 触碰和伤害触发的电信号

那么，含羞草叶片的快速运动是否与防御食草昆虫伤害有关？研究人员发现，食草动物蝗虫（grasshopper）在La3+处理过的叶片上停留时间显著多于对照叶片。通过敲除含羞草中叶枕发育的同源基因 ELP1B1/ELP1B2，该研究发现，尽管elp1b1elp1b2叶片在受伤时仍传播电信号，但叶片无法运动。在蝗虫的攻击下，elp1b1elp1b2叶片的重量减轻了30.7%，是野生型叶子的两倍，elp1b1elp1b2叶片上的总停留时间也显著增加。类似地，通才毛虫（generalist caterpillar）对含羞草的攻击也获得了类似的结果。这些结果表明，快速的叶子运动可抵御食草昆虫的攻击，并限制昆虫在含羞草叶片上的停留时间。与上述结果一致，该研究发现，含羞草在蝗虫攻击期间[Ca2+]cyt变化显著；蝗虫的咀嚼可导致三级叶枕中[Ca2+]cyt的增加和叶片快速运动（Figure 4）。

Figure 4. 昆虫攻击可诱导[Ca2+]cyt增加和叶片快速运动

综上所述，该研究通过测量细胞溶质中的Ca2+和电信号，发现[Ca2+]cyt是介导叶片快速运动的长距离快速信号，并与电信号在时空上耦合；利用食草昆虫实验，进一步证实食草昆虫攻击会诱导类似的[Ca2+]cyt增加和叶片快速运动，从而保护含羞草免受食草昆虫的攻击；揭示了含羞草叶片快速运动的分子机制及其生理作用。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-34106-x

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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