清華新聞網(wǎng)9月28日電 重力作為地球上時(shí)時(shí)刻刻、無(wú)處不在的物理環(huán)境因子，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育發(fā)揮著極其重要的調(diào)控作用。植物的根向下生長(zhǎng)（正向重力性），有利于植物的固著及對(duì)土壤中水分與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收；而植物的莖向上生長(zhǎng)（負(fù)向重力性），有利于其獲得更好的光照條件以及生長(zhǎng)空間等。植物的向重力性可分為重力感受、信號(hào)傳遞以及不對(duì)稱(chēng)生長(zhǎng)三個(gè)過(guò)程。重力感受可進(jìn)一步劃分為兩個(gè)階段，首先是對(duì)重力這一矢量物理信息的感知，其次是將接收到的物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樯砩盘?hào)。
1880年，查爾斯·達(dá)爾文（Charles Darwin）在《植物運(yùn)動(dòng)的力量》（The Power of Movement in Plants）一書(shū)中闡明了種子植物根部感受重力方向的區(qū)域是根尖，而后三位科學(xué)家博胡米爾·內(nèi)梅克（Bohumil Nemec）, 戈特利布·哈伯蘭特（Gottlieb Haberlandt）與弗朗西斯·達(dá)爾文（Francis Darwin）在1900至1903年提出了植物感受重力的“淀粉-平衡石”假說(shuō)，該假說(shuō)認(rèn)為植物相對(duì)于重力矢量的方向改變后，平衡石細(xì)胞（根尖柱細(xì)胞和莖內(nèi)皮層細(xì)胞）內(nèi)的淀粉體（含有淀粉的質(zhì)體）會(huì)沉降到這些細(xì)胞新的底部，啟動(dòng)重力信號(hào)的傳遞。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)重力信號(hào)傳遞后引起根或莖中生長(zhǎng)素的不對(duì)稱(chēng)分布，進(jìn)而調(diào)控了它們的彎曲生長(zhǎng)?！暗矸?平衡石”假說(shuō)是最被廣泛接受的重力感受理論，也是教科書(shū)中的經(jīng)典理論。然而淀粉體沉降這個(gè)物理過(guò)程是如何轉(zhuǎn)變?yōu)橹参矬w內(nèi)的生理生化信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)重力感受的，120年來(lái)并不清楚，是長(zhǎng)期“未解之謎”。
9月22日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心陳浩東團(tuán)隊(duì)在《細(xì)胞》（Cell）期刊在線(xiàn)發(fā)表題為“植物中淀粉體沉降重新極性化LAZYs實(shí)現(xiàn)重力感受”（Amyloplastsedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants）的研究論文。該論文解析了“淀粉-平衡石”假說(shuō)的分子機(jī)制，其核心是植物偏離重力方向后，淀粉體可通過(guò)其表面的TOC蛋白攜帶LAZY蛋白一起沉降，并引導(dǎo)LAZY蛋白沿著重力方向在細(xì)胞膜上形成新的極性分布，進(jìn)而調(diào)控植物的向重力性生長(zhǎng)（圖1）。
圖1.植物根尖感受重力的簡(jiǎn)化模型
該論文中，陳浩東團(tuán)隊(duì)提出的植物根系感受重力的具體模型如下（圖2）：1）植物豎直生長(zhǎng)時(shí)，根尖柱細(xì)胞中的淀粉體沉降在細(xì)胞下側(cè)，LAZY蛋白主要定位于細(xì)胞下側(cè)的細(xì)胞膜上，并且磷酸化水平較低；2）植物偏離重力方向時(shí)，MKK5-MPK3蛋白激酶模塊與LAZY蛋白的相互作用增強(qiáng)，提高LAZY蛋白的磷酸化水平；3）磷酸化的LAZY蛋白與淀粉體表面TOC34/120/132蛋白的相互作用增強(qiáng)，促進(jìn)LAZY蛋白從細(xì)胞膜向淀粉體外膜的轉(zhuǎn)移；4）淀粉體沉降引導(dǎo)LAZY蛋白在柱細(xì)胞新的下側(cè)聚集，此過(guò)程中LAZY蛋白可能在淀粉體與細(xì)胞膜之間來(lái)回轉(zhuǎn)運(yùn)，在下側(cè)聚集的LAZY蛋白進(jìn)而調(diào)控生長(zhǎng)素的不對(duì)稱(chēng)分布和根的彎曲生長(zhǎng)；5）植物根尖回到豎直方向時(shí)，LAZY蛋白的磷酸化水平與定位也回到初始狀態(tài)。
圖2.植物根尖感受重力的模型。植物偏離重力方向后，淀粉體的沉降引導(dǎo)LAZY蛋白在根尖柱細(xì)胞下側(cè)細(xì)胞膜上聚集形成新的極性，進(jìn)而調(diào)控根的向重力性
該成果為120年前提出的“淀粉-平衡石”假說(shuō)提供了分子解釋?zhuān)沂玖酥参锔惺苤亓Φ姆肿訖C(jī)制，是植物信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域的重大突破。LAZY與TOC兩類(lèi)蛋白均在不同植物中廣泛存在，該研究揭示的重力感受機(jī)制很可能具有普適性。細(xì)胞器的運(yùn)動(dòng)與極性的形成都是很普遍的生物學(xué)現(xiàn)象，該工作揭示的細(xì)胞器運(yùn)動(dòng)直接調(diào)控蛋白新極性形成的機(jī)理，對(duì)其他極性相關(guān)研究也具有啟示意義。審稿人對(duì)該論文給出了非常積極的評(píng)價(jià)，認(rèn)為該成果是一項(xiàng)杰出的工作（outstanding work），會(huì)引起廣泛的興趣，不僅僅限于植物生物學(xué)家（attract a wide level of interest among not just plant biologists）?！吨参飳W(xué)報(bào)》以“百年假說(shuō)終獲解析：穿梭的LAZY蛋白‘喚醒’植物對(duì)重力的感應(yīng)”為題，對(duì)該論文進(jìn)行了熱點(diǎn)評(píng)述，認(rèn)為“這一突破性研究成果”是“植物重力感應(yīng)領(lǐng)域具有里程碑意義的工作”。
清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心陳浩東研究員為論文通訊作者。陳浩東研究團(tuán)隊(duì)（含擔(dān)任北大鄧興旺實(shí)驗(yàn)室副研究員期間）2017級(jí)博士研究生陳家悅、博士后于仁波、博士后李娜、博士后鄧兆國(guó)、博士后張欣欣、2017級(jí)博士研究生趙亞冉、2020級(jí)博士研究生曲城甫為論文共同第一作者；2013級(jí)博士研究生袁艷芳、2021級(jí)博士研究生潘哲賢、博士后周楊楊、2012級(jí)博士研究生李昆侖、2013級(jí)博士研究生汪加軍、2023級(jí)博士研究生陳之忍、博士后王笑一、博士后王笑連、2022級(jí)博士研究生賀舒楠為參與作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院及北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院鄧興旺教授、美國(guó)新澤西州立羅格斯大學(xué)董娟教授為研究作出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到清華大學(xué)篤實(shí)專(zhuān)項(xiàng)、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等的資助。
論文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01035-8
供稿：生命學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
