机械敏感通道JUE1调控钙信号介导蓝猪耳触发性柱头运动的分子机制

植物如何感知机械刺激并触发器官快速运动是未解之谜。中国科学院华南植物园（单位根据规范补充）团队以蓝猪耳（Torenia fournieri）的触敏柱头为模型，结合活体钙成像、转录组分析和基因编辑技术，首次揭示机械敏感离子通道JUE1（MSL家族成员）通过调控触刺激发的胞质钙波（[Ca2+]cyt）传播，驱动柱头闭合。该研究解析了植物机械力感知与钙信号传导的分子偶联机制，为植物运动适应性进化提供了新见解。

　　

论文解读

在植物王国中，含羞草叶片的羞涩闭合、捕蝇草的致命捕食等快速运动现象长期吸引着科学家目光。然而，植物细胞如何将机械力转化为电化学信号，最终触发器官运动，其分子机制仍是未解之谜。蓝猪耳（Torenia fournieri）的双裂柱头为此提供了独特模型——当传粉者触碰时，柱头能在秒级时间内闭合以避免自花授粉，但驱动这一快速响应的分子传感器始终未被发现。

中国科学院华南植物园（单位根据规范补充）的研究团队通过整合多学科技术，首次揭示机械敏感离子通道JUE1通过操控钙信号动态调控柱头运动。相关成果发表于《Nature Communications》。研究采用四项关键技术：1）构建表达胞质钙传感器（CytG）的转基因株系，实现[Ca²⁺]_cyt时空动态可视化；2）基于转录组筛选柱头特异性表达的机械敏感通道基因；3）CRISPR/Cas9基因编辑构建功能缺失突变体；4）药理学阻断（EGTA、La³⁺、Gd³⁺）验证钙信号与离子通道功能。

结果解析
1. T. fournieri具有触敏双裂柱头
柱头仅内侧面对机械刺激敏感，刺激强度与运动程度呈正相关（图1d）。组织学显示柱头由乳突细胞（papilla cells）、亚乳突细胞（subpapillar cells）等分层构成：

2. 触刺激发[Ca²⁺]_cyt波
机械刺激诱导[Ca²⁺]_cyt从刺激位点向柱头-花柱连接处传播，信号强度与刺激等级正相关（L1-L3），且早于物理运动（图2a-b）：

2+]_cyt波。a）正面观钙波传播；b）侧面观钙波扩散；c-e）不同刺激等级下钙信号强度与范围量化'>
钙螯合剂（EGTA）和通道阻断剂（La³⁺）完全抑制钙波与柱头运动（图3），证实[Ca²⁺]_cyt是运动必要条件。

3. JUE1鉴定与功能验证
转录组发现MSL家族成员JUE1（Unigene0011542）在柱头特异性高表达（FPKM=3663.2 vs 花柱47.4）。系统发育分析显示JUE1与拟南芥MSL9/10同源（图4c）。原位杂交与荧光定位证实JUE1定位于内质网-质膜接触区（图5a-c）：

CRISPR突变体jue1-10丧失触敏性，但保留渗透胁迫响应，证明其特异参与机械力感知（图5d-g）。

4. JUE1调控钙波传播
jue1突变体中，触刺激发的[Ca²⁺]_cyt仅局限在刺激位点，无法向邻近细胞传播（图6）。单细胞刺激显示，野生型钙波可从乳突细胞扩散至亚乳突细胞，而突变体信号传导中断：

结论与意义
该研究提出机械力感知的核心模型（图7）：触压导致乳突细胞膜张力变化，激活JUE1通道并可能引发氯离子外流，进而激活未知的钙通道产生[Ca²⁺]_cyt波。钙信号通过细胞间传播触发细胞收缩，最终驱动柱头闭合。

这项研究首次在分子层面将机械敏感通道（MS channel）、钙信号传导（calcium signaling）与器官运动三者偶联，为理解植物快速运动提供了普适性框架。JUE1作为新型机械传感器，其同源基因在食虫植物与农作物中的功能演化，将为作物抗逆性与授粉效率调控提供新思路。