【PNAS】植物也有触感！植物感知土壤的硬度的分子机制

人体中机械敏感性阳离子通道Piezo通过一个叫做机械力传导的过程，在将机械刺激转化为各种生物活动。哺乳动物中的两种PIEZO蛋白PIEZO1和PIEZO2具有多种功能，包括触摸感，身体和四肢的位置感以实现平衡，膀胱充盈和血压调节。PNAS在线发表了来自Scripps Research研究所Ardem Patapoutian课题组题为“PIEZO ion channel is required for root mechanotransduction in Arabidopsis thaliana”的研究论文。该研究表明拟南芥中的人类感知机械力的蛋白家族同源蛋白PIEZO对于植物根部正常生长也是必不可少的，表明了进化利用了相同类型的分子来感知触摸，并利用植物的根来感知土壤的硬度。

1. 背景介绍：压力敏感蛋的发现

为了了解动物触觉的传导机制，2010年该文通讯作者Patapoutian课题组设计一个简单的实验，用移液管轻轻戳一下小鼠细胞，给细胞一个微小的机械力，然后转换成可测量的电流。之后通过一一敲除候选的离子通道蛋白，观察突变后的细胞是否失去触觉敏感性，从而鉴定到机械敏感性阳离子通道Piezo1蛋白。之后该课题组又证实果蝇的Piezo基因与机械伤害感受有关。之后多个课题组同时发文解析了Piezo蛋白通道的结构，这是个非常特异的蛋白结构，由是三个相同蛋白围绕中央孔构成，像风扇一样。现在初步认为其分子机制是当有机械力作用于细胞膜时，“叶片”结构会在细胞膜内侧带动“支撑杆”结构，从而使中央孔打开。

该研究发现拟南芥的基因组包括一个编码PIEZO同源蛋白的基因PZO1，这暗示这些蛋白在植物界也起着机械传感器的作用。研究首先检测了拟南芥中的PIEZO基因表达位置集中在根尖中表达。之后研究发现与野生型植物相比，pzo1突变后会显着降低其根部穿透更密集的屏障的能力。pzo1突变的根尖显示出响应机械刺激的钙瞬变减少，这些结果支持PZO1在根机械传递中的作用。然而，PZO1的机械感测能力究竟如何帮助根系生长仍然是个谜。最后，当在哺乳动物细胞中表达PZO1时，包括PZO1的C端一半的嵌合PZO1通道具有功能性和机械敏感性。

综上所述，该研究表明拟南芥PIEZO1在根机械传递中起着重要作用，并证实了PIEZOs作为动植物界中生理相关的机械敏感离子通道。未来可以通过基因编辑等工程化手段提高PZO1的活性，使植物在坚硬的土壤条件下扩展其根系并获得更多的营养和水，进而增加农作物产量。

论文链接：https://www.pnas.org/content/118/20/e2102188118

转自：iPlants

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