揭秘植物在特定壓力下的神奇應對策略

說起生存，與許多其他生物相比，植物面臨着重大挑戰：它們無法移動以躲避捕食者、病原體、熱應激或其他不利的環境條件。

爲了應對這些威脅，植物已進化出由特定環境信號所觸發的種種策略。長期以來，人們都知道細胞內鈣濃度的變化在處理這些信號方面起着關鍵作用。

然而，除了鈣的這些變化之外，細胞膜電位的變化也被懷疑充當信號傳遞者。

現在，來自位於德國的維爾茨堡大學（JMU）神經生理學、藥物生物學和植物學系的研究人員更深入地探索了鈣和膜電位之間的關係。

在他們的研究中，研究團隊使用了經過基因改造、攜帶能被光特異性激活的離子通道的菸草植物。

20 多年前，科學家彼得·黑格曼、格奧爾格·納格爾和恩斯特·班貝格通過發現和表徵被稱爲通道視紫紅質的光激活離子通道，開創了光遺傳學這一領域。

利用這些源自藻類和微生物的光敏感蛋白質，JMU 的研究人員能夠通過實驗確定鈣離子的流入或者由陰離子流出介導的細胞膜去極化對於植物應對特定壓力情況的反應是否至關重要。

然而，在他們能夠進行這些實驗之前，需要進行大量的準備工作。

通道視紫紅質是配備有基於視紫紅質的光開關的離子通道，其通過實現對神經元網絡的光控研究，給神經科學帶來了革命性的改變。

正是由於 JMU 生理學研究所的 Georg Nagel 小組與來自維爾茨堡植物學 1、2 教席以及藥物生物學教席的植物研究人員展開了密切合作，通道視紫紅質在植物研究中的應用纔在 20 年後得以實現。

2021 年，Nagel 的小組與 JMU Rainer Hedrich 教授植物學 1 教席的小組負責人 Kai Konrad 博士發表了一種方法，通過克服三個主要挑戰來優化通道視紫紅質在植物中的使用。

研究的合著者，來自 JMU 神經生理學系光遺傳學實驗室的“視紫紅質工程師”史強高對第一個挑戰進行了解釋。

“和所有視紫紅質一樣，包括我們眼睛裡的那些，通道視紫紅質需要小分子視黃醛，也就是維生素 A 來吸收光。我們人類主要從β-胡蘿蔔素，也就是維生素 A 原當中獲取視黃醛。不過，陸生植物不含視黃醛，但它們確實有大量的β-胡蘿蔔素。”高說道。

2021 年，高成功地把通道視紫紅質的表達與植物細胞中由β-胡蘿蔔素生成視黃醛這一過程相結合。這一突破促使具有高視黃醛含量以及通道視紫紅質成功表達的菸草植物能夠被開發出來。

JMU 維爾茨堡分校藥物生物學系代謝組學核心單元由 Martin Müller 教授領導，該單元的 Markus Krischke 博士證實了各種轉基因菸草植物的高視黃醛含量。

植物學 1 系的 Meiqi Ding 博士在植物生理學家和植物信號處理專家 Kai Konrad 博士的指導下，爲 Rainer Hedrich 教授在植物學 1 系團隊最近發表的研究培育了可相媲美的轉基因菸草植物。

第二個挑戰與光激活有關。Nagel 解釋道：“大多數視紫紅質是由藍光或綠光激活的。然而，這些顏色屬於白光的組成部分。”

這就意味着菸草植物無法在溫室或者標準的人工白光環境下生長，因爲那樣會在不經意間激活視紫紅質。

相反，這些植物得在配備有紅色 LED 光的特殊生長室裡生長，這種光對光合作用有益，而且不會引發視紫紅質的激活。

Konrad 指出，通過在各種生長條件下進行的測試表明，相較於溫室條件，菸草在紅光下能夠健康且毫無變化地生長。

第三個挑戰在於在菸草細胞中表達通道視紫紅質存在困難。2021 年，維爾茨堡研究團隊成功在菸草植物細胞中表達了光激活陰離子通道 GtACR1。

所以，Nagel 的團隊能夠研發出針對鈣離子滲透性進行優化的各類通道視紫紅質。

最終，Nagel 團隊的成員高強和尚陽成功開發了一種先進的鈣傳導通道視紫紅質，名爲 XXM 2.0，專門用於在菸草植物中進行靶向表達。

這是一個重大突破：“在植物細胞中成功表達具有不同離子選擇性的通道視紫紅質，這使得我們能夠將不同的離子信號與被稱爲去極化的電信號相比較，”丁美琪解釋道。

她使用鈣傳導通道視紫紅質 XXM 2.0 和光激活陰離子通道 GtACR1 來研究菸草中的各種離子信號通路。

這些新創建的“光遺傳學”菸草植物使研究人員能夠回答在植物對特定應激情況的反應中，鈣內流或膜去極化哪個更關鍵的問題。“答案很明確，”康拉德說。

“激活陰離子通道後，葉子枯萎，呈現出植物對乾旱的典型反應；產生了植物激素脫落酸（ABA），基因表達也有所增加，以防止脫水，”丁補充說。

“相反，植物產生信號分子和植物激素來觸發防禦機制以對抗捕食者，葉子上的白點便是證明，”康拉德說。

來自赫德里希教授團隊的索恩克·舍爾策博士通過直接測量表明，在此過程中有活性氧物質（ROS）被釋放。

植物學 1 系的德克·貝克爾與雷納·赫德里希設計了一種實驗方法，利用轉錄組學和生物信息學分析來支持工作假設。

研究人員堅信，這項研究標誌着植物研究新時代的開始。他們認爲，在各種視紫紅質的幫助下，植物信號通路現在能夠被更徹底地闡明。

該研究發表在《自然》雜誌上。

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