中外学者Nature发文，解码植物信号通路

来自德国维尔茨堡大学植物生理和神经生理学系的研究小组利用新产生的“光遗传”烟草植物，研究了植物如何处理外部信号。

　　

说到生存，与许多其他生物相比，植物有一个巨大的劣势:如果捕食者或病原体攻击它们，或者环境条件改变对它们不利，它们不能简单地改变自己的位置。

由于这个原因，植物已经发展出不同的策略来应对这种攻击。这种反应通常是由来自环境的某些信号触发的。众所周知，细胞内钙浓度在这些信号的处理过程中起着重要作用。

然而，除了细胞质钙水平的变化外，细胞膜电位的变化也被怀疑是信号传递器。来自维尔茨堡大学神经生理学、药物生物学和植物学部门的研究小组更详细地研究了钙-膜电位的关系。他们已经在《自然》杂志上发表了他们的研究结果。

光敏通道使目标操作

在他们的研究中，研究小组与携带离子通道的烟草植物合作，这些离子通道可以被光线特异性地打开。20多年前，Peter Hegemann, Georg Nagel和Ernst Bamberg开创了光遗传学的成功，他们发现并表征了光激活离子通道，即所谓的通道视紫红质。在这些从藻类和微生物中获得的光敏蛋白的帮助下，JMU的研究人员能够通过实验研究钙离子的流入或阴离子外溢介导的细胞膜去极化是否对植物对特定胁迫情况的反应起决定性作用。然而，科学家们必须做大量的准备工作才能做到这一点。

紫红质光遗传学

通道视紫红质，离子通道携带一个内在的基于视紫红质的光开关，通过对神经网络的光控研究彻底改变了神经科学。20年后，通过JMU生理学研究所的Georg Nagel教授和植物研究人员的密切合作，通道视紫红质在植物研究中的应用才成为可能。

2021年，Georg Nagel的小组与JMU Rainer Hedrich植物学教授主席的小组组长Kai Konrad博士一起，通过克服三个主要困难，发表了一种优化植物中通道紫红质使用的方法。

视紫红质需要维生素A

第一点:“像所有的视紫红质一样，包括我们眼睛中的视紫红质，通道视紫红质需要小分子视网膜，也就是维生素A来吸收光线。我们人类的视网膜主要来自β -胡萝卜素，维生素a原。然而，陆地植物不含视网膜，但含有大量的β -胡萝卜素，”《自然》杂志的合著者、JMU神经生理学系光遗传学实验室的“视紫红质工程师”Shiqiang Gao博士解释说。

2021年，Shiqiang Gao教授首次成功地将通道视紫红质的表达与植物细胞中β -胡萝卜素生成视网膜结合起来。这使得烟草植株具有高视网膜含量和通道视紫红质的成功表达。

由Markus Krischke教授领导的药物生物学系代谢组学核心单元的Markus Krischke博士证实了各种转基因烟草植物的高视网膜含量。

在植物I系Rainer Hedrich教授小组的植物生理学家和植物信号处理专家Kai Konrad博士的指导下，植物I系的Meiqi Ding博士为最近发表的研究生产了类似的转基因烟草植株。

植物需要光来生长

第二点:“大多数视紫红质被蓝光或绿光激活。然而，这总是白光的一个组成部分，”Georg Nagel解释说。因此，烟草植物不能像通常那样在温室或人工白光下种植。只有在有红色LED光的特殊生长室中，它可以进行光合作用，才有可能避免不必要的视紫红质激活。在不同生长条件下的测试表明:“与温室条件相比，烟草在红光下生长健康，没有变化，”Kai Konrad博士说。

植物通道视紫红质的功能表达

观点3:烟草细胞中通道视紫红质的表达经常造成困难。2021年，研究团队的科学家成功地在烟草植物细胞中表达了光激活阴离子通道GtACR1。因此，Georg Nagel的团队能够开发出各种通道视紫红质，这些通道视紫红质针对钙离子的渗透性进行了优化。最后，Nagel团队的两位成员，Shiqiang Gao和 Shang Yang成功地开发了一种非常好的钙传导通道视紫红质XXM 2.0，用于烟草植物的靶向表达。

这是一个突破:“在植物细胞中，具有不同离子选择性的通道紫红质的成功表达使得不同的离子信号与电信号并行进行比较，即所谓的去极化，”Meiqi Ding博士解释说。她利用钙传导通道视紫红质XXM 2.0和光激活阴离子通道GtACR1研究了烟草中不同的离子信号通路。

植物研究的新时代

这些新产生的“光遗传”烟草植株使得澄清钙内流或膜去极化是否对植物对特定胁迫情况的反应起决定性作用成为可能。“答案很清楚，阴离子通道激活后，叶子枯萎了，并对干旱做出了典型的植物反应;植物激素脱落酸(ABA)产生，基因表达增加，以防止干燥。”

“然而，在具有钙通道的植物中，光遗传刺激后ABA水平没有变化，相反，植物产生信号分子和植物激素，启动防御天敌的机制，从叶子上的白点可以识别出来”。

Sönke Scherzer博士在Hedrich教授的主持下，通过直接测量活性氧(ROS)，能够证明在这个过程中释放了活性氧(ROS)。

植物学主席Dirk Becker和Rainer Hedrich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。

科学家们相信，这项研究只是植物研究新时代的开始。最终，植物的信号通路现在可以使用各种视紫红质更好地“照亮”。