利用光遗传学草植物解码植物信号通路

维尔茨堡大学植物生理学和神经生理学系的研究团队利用新生成的“光遗传学”草植物，研究了植物如何处理外部信号。

在生存方面，与许多其他生物相比，植物具有巨大的劣势：如果捕食者或病原体攻击它们，或者环境条件变得对它们不利，它们无法简单地改变它们的位置。

因此，植物发展出不同的策略来应对此类攻击。这些反应通常由来自环境的某些信号触发。众所周知，细胞内钙浓度在处理这些信号时起着重要作用。

然而，除了细胞质钙水平的变化外，细胞膜电位的变化也被怀疑是一种信号传递剂。来自维尔茨堡大学(JMU)神经生理学、药物生物学和植物学系的研究小组更详细地研究了钙-膜电位关系。他们现在在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。

光敏通道可实现有针对性的控

研究团队在研究中研究了草植物，这些植物携带的离子通道可以通过光激活。20多年前，PeterHegemann、GeorgNagel和ErnstBamberg发现并鉴定了光激活离子通道(即所谓的通道视紫红质)，开创了光遗传学的成功。

借助这些从藻类和微生物中获得的光敏蛋白，JMU的研究人员能够通过实验研究钙离子的流入或阴离子流出介导的细胞膜去极化是否对植物对某种压力情况的反应具有决定性作用。然而，科学家们在做到这一点之前必须做大量的准备工作。

视紫红质光遗传学

通道视紫红质是一种离子通道，携带基于视紫红质的内在光开关，它通过对神经元网络的光控研究彻底改变了神经科学。直到20年后，通过JMU生理研究所教授GeorgNagel团队与维尔茨堡植物学1、2和药物生物学系植物研究人员的密切合作，通道视紫红质才得以用于植物研究。

2021年，GeorgNagel研究小组与JMURainerHedrich植物学1系主任KaiKonrad博士合作，发表了一种通过克服三个主要困难来优化植物中通道视紫红质使用的方法。

“像所有视紫红质(包括我们眼睛中的视紫红质)一样，通道视紫红质需要小分子视黄醛(也称为维生素A)来吸收光线。我们人类主要从β-胡萝卜素(维生素A原)中获取视黄醛。然而，陆生植物不含有视黄醛，但含有大量的β-胡萝卜素，”该论文的合著者、JMU神经生理学系光遗传学实验室的“视紫红质工程师”高世强博士解释说。

2021年，高教授首次成功将通道视紫红质的表达与β-胡萝卜素在植物细胞中产生视黄醛结合起来，培育出视黄醛含量高的草植物，并成功表达通道视紫红质。

维尔茨堡大学MartinMüller教授领导的药物生物学系代谢组学核心小组的MarkusKrischke博士证实，各种转基因草植物的视黄酸含量很高。

在植物学第一系Hedrich教授团队的植物生理学家和植物信号处理专家Konrad博士的指导下，植物学第一系的MeiqiDing博士在最近发表的研究中培育出了类似的转基因草植物。

“大多数视紫红质是由蓝光或绿光激活的。然而，这始终是白光的组成部分，”GeorgNagel解释道。因此，草植物无法像通常那样在温室或人造白光下生长。只有在带有可用于光合作用的LED灯的特殊生长室中，才有可能避免不必要的视紫红质激活。

在不同生长条件下进行的测试表明：“与温室条件下相比，草在红光下生长得更健康，没有发生任何变化，”康拉德博士说。

在草细胞中表达通道视紫红质通常会带来困难。2021年，维尔茨堡科学家团队成功在草植物细胞中表达了光激活阴离子通道GtACR1。由此，GeorgNagel团队得以开发出针对钙离子通透性进行优化的各种通道视紫红质。最终，Nagel团队的高博士和尚阳博士成功开发出一种非常好的钙传导通道视紫红质XXM2.0，用于在草植物中进行靶向表达。

这就是突破：“在植物细胞中成功表达具有不同离子选择性的通道视紫红质，使得可以同时比较不同的离子信号和电信号，即所谓的去极化，”丁美琪博士解释道。她利用钙传导通道视紫红质XXM2.0和光激活阴离子通道GtACR1研究草中的不同离子信号通路。

植物研究的新时代

这些新产生的“光遗传学”草植物使得我们能够阐明钙内流或膜去极化是否对植物对特定应电影 况的反应具有决定性作用的问题。

“答案很清楚，”通讯作者康拉德博士说。

第一作者、Konrad博士研究小组的Ding博士解释说：“阴离子通道激活后，叶子枯萎并做出植物对干旱的典型反应;产生植物激素脱落酸(ABA)，并增加基因表达以防止干燥。”

“然而，在具有钙通道的植物中，光遗传学刺激后ABA水平没有变化，”丁博士继续说道。

“相反，植物会产生信号分子和植物激素来启动对抗捕食者的防御机制，这可以通过叶子上的白点来识别，”康拉德博士说。

在Hedrich教授的指导下，SönkeScherzer博士通过直接ROS测量证明了该过程中会释放活性氧(ROS)。

植物学1系的DirkBecker和RainerHedrich设计了一种实验方法，利用转录组学和生物信息学分析来支持工作假设。

科学家们坚信这项研究只是植物研究新时代的开始。最终，植物的信号通路现在可以利用各种视紫红质得到更好的“照亮”。