利用新创建的“光遗传学”烟草植物,研究团队深入探讨了植物如何解读外部信号。当谈到生存时,植物面临许多其他生物所没有的重大挑战:如果面临来自捕食者、疾病或不利环境条件的威胁,它们无法迁移。
为了应对这些挑战,植物已经演化出各种策略来应对这些威胁。通常,这些反应是由特定的环境信号触发的。已经确定,细胞内钙离子的浓度在这些信号的处理过程中起着至关重要的作用。
除了细胞内钙水平的波动,细胞的膜电位变化也被怀疑作为信号介导物。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团队对钙水平和膜电位之间的关系进行了详细检查,相关研究成果已发表在《自然》杂志上。
光敏通道允许受控实验
在调查中,研究人员使用了装有可被光激活的离子通道的烟草植物。二十多年前,彼得·赫根曼、乔治·纳格尔和恩斯特·巴门伯格通过发现和表征被称为通道视紫红质的光响应离子通道,为光遗传学奠定了基础。利用这些来自藻类和其他微生物的光敏感蛋白,JMU的科学家们旨在探讨在特定压力事件中,钙离子的内流或阴离子外流驱动的膜去极化是否是植物反应的关键。在到达这一点之前,需要进行大量的初步工作。
带视紫红质的光遗传学
通道视紫红质具有基于视紫红质的天然光开关,通过光控分析神经网络来改变神经科学。它们在植物研究中的应用大约在两年后由于乔治·纳格尔在JMU生理学研究所与来自各植物学系的植物研究者之间的协作而产生。
在2021年,乔治·纳格尔的团队与来自JMU赫德里希教授植物1的凯·孔拉德博士合作,通过解决三个主要挑战引入了优化通道视紫红质在植物中使用的方法。
视紫红质依赖于维生素A
挑战1:“与人眼中的所有视紫红质一样,通道视紫红质需要小分子视黄醇,通常被称为维生素A,以吸收光线。虽然人类主要通过β-胡萝卜素获得视黄醇,但陆地植物几乎不含视黄醇,而富含β-胡萝卜素,”自《自然》发表的论文的共同作者、JMU神经生理学系的“视紫红质工程师”高世强博士解释道。
在2021年,高世强实现了一项重大突破,通过将通道视紫红质的表达与植物细胞中的β-胡萝卜素合成相结合。这一进展导致了视黄醇水平升高且功能性通道视紫红质表达的烟草植物的创建。
JMU代谢组核心单元的马克斯·克里施克博士也证实了各种转基因烟草植物中视黄醇的高含量。
相似的转基因烟草植物是由植物生理学家凯·孔拉德博士在赫德里希教授的植物学1小组的指导下进行的研究中开发的。
烟草植物需要特定光照生长
挑战2:“大多数视紫红质对蓝光或绿光作出反应,而这些光都是白光的成分,”乔治·纳格尔指出。因此,这些烟草植物无法在温室中或在通常用于生长的人工白光下茁壮成长。它们只有在安装了红色LED灯的特殊生长箱中成功生长,这种光对光合作用有促进作用,并避免了无意中激活视紫红质的情况。各种测试表明,“在红光下,烟草植物生长健康,类似于温室条件,”凯·孔拉德博士补充道。
成功的植物中通道视紫红质表达
挑战3:通道视紫红质在烟草细胞中的表达常常存在问题。在2021年,维尔茨堡研究团队成功在烟草植物细胞中表达了一种光激活的阴离子通道GtACR1。这一成就使乔治·纳格尔的团队能够创造多种为有效钙离子通透性量身定制的通道视紫红质。最终,属于纳格尔小组的高世强博士和杨尚博士成功开发出一种高度有效的钙导电通道视紫红质XXM 2.0,专门用于烟草植物。
这标志着重要的里程碑:“在植物细胞中成功表达各种具有不同离子选择性的通道视紫红质,使得可以同时比较各种离子信号和电信号,即去极化,”丁美琪博士指出。她采用了钙导电通道视紫红质XXM 2.0和光激活阴离子通道GtACR1探索烟草中的不同离子信号机制。
植物研究的新篇章
新开发的“光遗传学”烟草植物使得有可能确定钙流入或膜去极化在植物对特定压力的反应中的关键性。“研究结果是确定的,”通讯作者凯·孔拉德博士表示。第一作者丁美琪博士解释道:“在激活阴离子通道后,叶子萎蔫,表现出典型的干旱反应;植物激素脱落酸(ABA)合成增加,基因表达上升以抵御脱水。”
“另一方面,当钙通道被激活时,ABA水平没有增加,”丁博士继续说道。“相反,植物释放信号分子和激素以触发对捕食者的防御反应,白色斑点出现在叶子上,”孔拉德博士解释道。
来自赫德里希教授小组的索恩克·舍尔泽博士通过直接测量表明,在这一过程中产生了活性氧种(ROS)。
德克·贝克和赫德里希教授在植物学1系设计了一个实验框架,通过转录组学和生物信息学分析增强了研究发现。
这些研究人员相信,他们的研究仅仅是植物研究新篇章的开始,强调利用各种视紫红质更有效地阐明植物信号通路的潜力。