揭秘植物在特定压力下的神奇应对策略

说起生存，与许多其他生物相比，植物面临着重大挑战：它们无法移动以躲避捕食者、病原体、热应激或其他不利的环境条件。

为了应对这些威胁，植物已进化出由特定环境信号所触发的种种策略。长期以来，人们都知道细胞内钙浓度的变化在处理这些信号方面起着关键作用。

然而，除了钙的这些变化之外，细胞膜电位的变化也被怀疑充当信号传递者。

现在，来自位于德国的维尔茨堡大学（JMU）神经生理学、药物生物学和植物学系的研究人员更深入地探索了钙和膜电位之间的关系。

在他们的研究中，研究团队使用了经过基因改造、携带能被光特异性激活的离子通道的烟草植物。

20 多年前，科学家彼得·黑格曼、格奥尔格·纳格尔和恩斯特·班贝格通过发现和表征被称为通道视紫红质的光激活离子通道，开创了光遗传学这一领域。

利用这些源自藻类和微生物的光敏感蛋白质，JMU 的研究人员能够通过实验确定钙离子的流入或者由阴离子流出介导的细胞膜去极化对于植物应对特定压力情况的反应是否至关重要。

然而，在他们能够进行这些实验之前，需要进行大量的准备工作。

通道视紫红质是配备有基于视紫红质的光开关的离子通道，其通过实现对神经元网络的光控研究，给神经科学带来了革命性的改变。

正是由于 JMU 生理学研究所的 Georg Nagel 小组与来自维尔茨堡植物学 1、2 教席以及药物生物学教席的植物研究人员展开了密切合作，通道视紫红质在植物研究中的应用才在 20 年后得以实现。

2021 年，Nagel 的小组与 JMU Rainer Hedrich 教授植物学 1 教席的小组负责人 Kai Konrad 博士发表了一种方法，通过克服三个主要挑战来优化通道视紫红质在植物中的使用。

研究的合著者，来自 JMU 神经生理学系光遗传学实验室的“视紫红质工程师”史强高对第一个挑战进行了解释。

“和所有视紫红质一样，包括我们眼睛里的那些，通道视紫红质需要小分子视黄醛，也就是维生素 A 来吸收光。我们人类主要从β-胡萝卜素，也就是维生素 A 原当中获取视黄醛。不过，陆生植物不含视黄醛，但它们确实有大量的β-胡萝卜素。”高说道。

2021 年，高成功地把通道视紫红质的表达与植物细胞中由β-胡萝卜素生成视黄醛这一过程相结合。这一突破促使具有高视黄醛含量以及通道视紫红质成功表达的烟草植物能够被开发出来。

JMU 维尔茨堡分校药物生物学系代谢组学核心单元由 Martin Müller 教授领导，该单元的 Markus Krischke 博士证实了各种转基因烟草植物的高视黄醛含量。

植物学 1 系的 Meiqi Ding 博士在植物生理学家和植物信号处理专家 Kai Konrad 博士的指导下，为 Rainer Hedrich 教授在植物学 1 系团队最近发表的研究培育了可相媲美的转基因烟草植物。

第二个挑战与光激活有关。Nagel 解释道：“大多数视紫红质是由蓝光或绿光激活的。然而，这些颜色属于白光的组成部分。”

这就意味着烟草植物无法在温室或者标准的人工白光环境下生长，因为那样会在不经意间激活视紫红质。

相反，这些植物得在配备有红色 LED 光的特殊生长室里生长，这种光对光合作用有益，而且不会引发视紫红质的激活。

Konrad 指出，通过在各种生长条件下进行的测试表明，相较于温室条件，烟草在红光下能够健康且毫无变化地生长。

第三个挑战在于在烟草细胞中表达通道视紫红质存在困难。2021 年，维尔茨堡研究团队成功在烟草植物细胞中表达了光激活阴离子通道 GtACR1。

所以，Nagel 的团队能够研发出针对钙离子渗透性进行优化的各类通道视紫红质。

最终，Nagel 团队的成员高强和尚阳成功开发了一种先进的钙传导通道视紫红质，名为 XXM 2.0，专门用于在烟草植物中进行靶向表达。

这是一个重大突破：“在植物细胞中成功表达具有不同离子选择性的通道视紫红质，这使得我们能够将不同的离子信号与被称为去极化的电信号相比较，”丁美琪解释道。

她使用钙传导通道视紫红质 XXM 2.0 和光激活阴离子通道 GtACR1 来研究烟草中的各种离子信号通路。

这些新创建的“光遗传学”烟草植物使研究人员能够回答在植物对特定应激情况的反应中，钙内流或膜去极化哪个更关键的问题。“答案很明确，”康拉德说。

“激活阴离子通道后，叶子枯萎，呈现出植物对干旱的典型反应；产生了植物激素脱落酸（ABA），基因表达也有所增加，以防止脱水，”丁补充说。

“相反，植物产生信号分子和植物激素来触发防御机制以对抗捕食者，叶子上的白点便是证明，”康拉德说。

来自赫德里希教授团队的索恩克·舍尔策博士通过直接测量表明，在此过程中有活性氧物质（ROS）被释放。

植物学 1 系的德克·贝克尔与雷纳·赫德里希设计了一种实验方法，利用转录组学和生物信息学分析来支持工作假设。

研究人员坚信，这项研究标志着植物研究新时代的开始。他们认为，在各种视紫红质的帮助下，植物信号通路现在能够被更彻底地阐明。

该研究发表在《自然》杂志上。

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