解析毛果杨筛分子中韧皮部特异性蛋白结构异质性：探索植物运输奥秘的关键进展

为探究韧皮部筛分子（SEs）中 P 蛋白的功能及毛果杨（Populus trichocarpa）基因组中 SEOR 基因情况，研究人员开展了相关研究。结果发现毛果杨基因组含 12 个 SEOR 编码基因，其蛋白结构可能具有异质性。该研究为深入了解植物长距离运输机制奠定基础。

　　在植物的奇妙世界里，运输 “养料” 的韧皮部（phloem）就像一条条高速公路，承担着至关重要的使命。韧皮部中的筛分子（sieve elements，SEs）是运输的关键 “通道”，它们虽然缺少细胞核、质体和大部分线粒体等细胞器，却依然保持活力，高效地运输着光合产物、RNAs 以及其他信号物质。

然而，在 SEs 中存在着一种特殊的蛋白质结构，由韧皮部特异性蛋白（phloem-specific proteins，P 蛋白）组成，其功能一直是植物学界的未解之谜。尽管从 20 世纪 60 年代起，科学家们就对 P 蛋白展开了研究，但除了豆科植物中特定的 P 蛋白（如 forisomes）被证实参与对某些取食韧皮部蚜虫的防御反应外，大部分 P 蛋白的功能仍然扑朔迷离。此前，在模式树种毛果杨中，仅发现了一种 P 蛋白，这与众多植物中存在多个 P 蛋白编码基因的情况不符。为了揭开这些谜团，来自国外多个研究机构的研究人员（如 Adam Mickiewicz University、Polish Academy of Sciences 等）开展了一项深入研究，相关成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，通过基因组比较分析（genome comparative analysis），利用 BLAST 工具，以拟南芥（Arabidopsis thaliana）中已知的 SEOR 基因肽序列为查询依据，在毛果杨基因组中寻找潜在的同源基因；其次，采用单细胞核 RNA 测序（single-nucleus RNA-sequencing，snRNA-seq）和逆转录定量聚合酶链反应（Reverse Transcriptase quantitative Polymerase Chain Reaction，RT-qPCR）技术，分析 SEOR 基因的表达情况；最后，运用蛋白质组分析（proteomic analysis）技术，对毛果杨不同发育阶段的根进行检测，鉴定 SEOR 蛋白的存在及含量变化 。

研究结果

1. P 蛋白体的检测：利用透射电子显微镜（Transmission electron microscopy，TEM）观察发现，毛果杨先锋根的筛分子具有独特的形态，呈规则的五边形，且缺乏大的中央液泡。在发育中的筛分子里，P 蛋白形成丝状结构，与细胞壁紧密相连，其直径约为 24nm，主要以平行束的形式排列，整体排列较为复杂。
2. SEOR 基因家族分析：对毛果杨基因组（v4.1）进行分析，发现了 12 个可能编码 SEOR 蛋白的基因。这些基因仅分布在 1、8、10、12 和 17 号染色体上，其中 1 号和 10 号染色体上分布较多。通过系统发育分析，将毛果杨的 SEOR 蛋白分为两组，且鉴定出 20 个保守肽基序，其中 14 个与 SEO_N 和 SEO_C 结构域相关。
3. SEOR 基因表达分析：snRNA-seq 分析表明，在 24 个细胞核簇中，簇 17 被确定为代表韧皮部筛分子，该簇中超过 98% 的细胞核至少表达一种 SEOR 基因，共检测到 10 个 SEOR 编码基因的表达。RT-qPCR 分析显示，几乎所有测试的引物对在根的发育阶段中，基因表达水平均呈上升趋势，且在成熟韧皮部（阶段 IV）表达最高，同时在茎和叶组织中也检测到了 SEOR 基因的表达。
4. SEOR 蛋白鉴定：蛋白质组分析证实了毛果杨根样品中存在 7 种 SEOR 蛋白，这些蛋白在转录组水平也通过 snRNA-seq 检测到。此外，研究发现随着根发育阶段的推进，SEOR 蛋白的丰度呈上升趋势，在阶段 IV 时显著增加。同时，有 3 种蛋白在转录组水平有表达，但在蛋白质组中未检测到。

研究结论与讨论

该研究通过多组学方法，对毛果杨 SEOR 蛋白进行了全面的鉴定和分析。研究结果表明，毛果杨成熟筛分子中存在特定的蛋白质结构，虽然此前仅发现一种毛果杨基因与拟南芥 SEOR 基因同源，但此次研究揭示其基因组中实际含有 12 个 SEOR 编码基因，这是目前在树模型物种中发现数量最多的。这些基因的组织方式呈现出串联重复的特点，反映了毛果杨基因组的进化历史。

尽管 SEOR 蛋白的具体功能仍不明确，但研究发现其基因表达和蛋白水平在根发育的第四阶段显著升高，这与拟南芥根单细胞 RNA 测序中显示的 SEOR 编码基因在韧皮部发育最后阶段高表达的结果一致。目前推测 SEOR 蛋白可能在调节相邻筛分子之间的孔隙开闭、为几乎无细胞内容物的筛分子提供结构支持，以及参与韧皮部依赖的系统信号传导等方面发挥作用。

此外，研究还发现一些有趣的现象，例如 SEOR 蛋白与用于几丁质检测的寡糖 OGA⁴⁸⁸能特异性相互作用，但这种结合的生物学意义尚不明确；毛果杨中由 SEOR 蛋白组成的非分散性韧皮部蛋白体对细胞损伤无反应，这并不支持其具有保护功能的假设。

总体而言，该研究为未来深入研究韧皮部细胞的功能奠定了重要基础。虽然目前研究仍面临诸多挑战，如 SEOR 蛋白功能的确定、其在植物防御反应中的具体作用机制等，但随着技术的不断进步，这些问题有望得到解决。这对于我们深入理解植物的生理过程，尤其是在全球气候变化的背景下，对植物应对生物和非生物胁迫的研究具有重要意义，将为植物科学领域的发展提供新的思路和方向。