磷脂酰肌醇调控拟南芥胞质分裂过程中细胞板形态转变的分子机制

本研究针对植物胞质分裂过程中细胞板形态转变的调控机制这一关键科学问题，通过遗传学、生物化学和细胞生物学方法，揭示了磷脂酰肌醇(PIPs)通过抑制翻转酶ALA1介导的磷脂酰丝氨酸(PS)翻转和促进动力素相关蛋白DRP1A募集，协同调控细胞板膜形态的分子机制。研究发现PI4P通过抑制PS翻转降低膜曲率，而PI(4,5)P2通过招募DRP1A促进收缩区形成，二者共同确保细胞板正常形态建成。该成果为理解植物细胞分裂的膜动力学调控提供了新视角，发表于《Nature Communications》。

　　

在植物生长发育过程中，细胞分裂是构建多细胞体的基础。与动物细胞不同，植物细胞通过形成特殊的细胞板结构完成胞质分裂。这个由膜泡运输构建的临时结构需要经历从管状网络到平面片层的复杂形态转变，但其调控机制长期未被阐明。尤其令人困惑的是，富含阴离子脂质的细胞板如何协调膜形态的动态变化？这些脂质分子是否以及如何参与调控这一精密过程？

中国科学院遗传与发育生物学研究所的研究团队通过系统研究，发现磷脂酰肌醇(PIPs)在细胞板形态转变中发挥核心调控作用。研究人员利用遗传突变体、活细胞成像和生物物理技术，揭示了PI4P通过抑制翻转酶ALA1活性调控磷脂酰丝氨酸(PS)的跨膜分布，而PI(4,5)P₂则通过招募动力素相关蛋白DRP1A促进收缩区形成，二者协同确保细胞板正常形态建成。这项突破性成果发表于《Nature Communications》，为理解植物细胞分裂的膜重塑机制提供了全新视角。

研究主要采用以下关键技术：1) 构建mips1 mips3双突变体诱导磷脂酰肌醇缺乏；2) 利用超分辨显微镜(Airyscan 2)观察细胞板动态；3) 生物膜干涉技术(BLI)定量分析蛋白-脂质相互作用；4) 诱导型PI(4,5)P₂耗竭系统(iDePP)进行功能验证；5) 磷脂标记物(NBD-PS)示踪技术。

【PIPs缺陷突变体mips1 mips3显示不完全胞质分裂】
通过分析肌醇合成缺陷突变体mips1 mips3，发现PI4P和PI(4,5)P₂水平显著降低导致细胞板增厚(0.232±0.022μm vs 野生型0.114±0.006μm)和形态异常。延时成像显示phragmoplast(成膜体)扩展不同步，细胞板形成时间延长至75.4分钟(野生型32分钟)。透射电镜观察到突变体中存在未融合的囊泡和分段的不连续细胞板。

【敲除ALA1可挽救mips1 mips3的胞质分裂表型】
通过EMS诱变筛选获得抑制突变体VLR_95，测序鉴定其携带ALA1基因无义突变。ALA1编码推测的氨基磷脂翻转酶，其缺失使mips1 mips3细胞板厚度恢复正常。生物膜干涉分析显示ALA1胞质环与PS(KD=2.212μM)和PI4P(KD=6.048μM)具有高亲和力，而PI4P可抑制其翻转酶活性。

【细胞板发育需要PI4P介导的膜形态调控】
NBD-PS摄取实验证实PI4P缺乏导致PS翻转增加。超分辨显微镜显示野生型细胞板PS呈不连续分布，而mips1 mips3中分布均匀且信号增强。短期苯胂氧化物(PAO)处理可特异性降低细胞板PI4P水平，同时诱导膜内陷和细胞板膨出等表型，模拟了突变体表型。

【PI(4,5)P₂介导的DRP1A收缩区形成参与细胞板管化】
过表达DRP1A可部分挽救mips1 mips3表型。BLI分析显示DRP1A与PI(4,5)P₂和PI5P结合最强。诱导型PI(4,5)P₂耗竭系统证明PI(4,5)P₂缺失导致DRP1A纳米结构域减少，表明PI(4,5)P₂通过招募DRP1A促进收缩区形成。

这项研究建立了PIPs调控细胞板形态的双重机制模型：PI4P通过抑制ALA1减少PS翻转从而降低膜曲率，而PI(4,5)P₂通过募集DRP1A促进膜管化。这种阴离子脂质的时空协同调控，确保了细胞板从管状网络向平面片层的形态转变。该发现不仅阐明了植物胞质分裂的关键调控机制，也为理解膜不对称性在细胞器形态建成中的普遍作用提供了新范式。研究揭示的脂质互作网络和膜动力学原理，可能为作物遗传改良和细胞工程提供理论依据。