清華新聞網(wǎng)9月28日電 重力作為地球上時時刻刻、無處不在的物理環(huán)境因子，對植物的生長發(fā)育發(fā)揮著極其重要的調(diào)控作用。植物的根向下生長（正向重力性），有利于植物的固著及對土壤中水分與營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；而植物的莖向上生長（負向重力性），有利于其獲得更好的光照條件以及生長空間等。植物的向重力性可分為重力感受、信號傳遞以及不對稱生長三個過程。重力感受可進一步劃分為兩個階段，首先是對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轉(zhuǎn)變?yōu)樯砩盘枴?/p>
1880年，查爾斯·達爾文（Charles Darwin）在《植物運動的力量》（The Power of Movement in Plants）一書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，該假說認為植物相對于重力矢量的方向改變后，平衡石細胞（根尖柱細胞和莖內(nèi)皮層細胞）內(nèi)的淀粉體（含有淀粉的質(zhì)體）會沉降到這些細胞新的底部，啟動重力信號的傳遞。后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)重力信號傳遞后引起根或莖中生長素的不對稱分布，進而調(diào)控了它們的彎曲生長。“淀粉-平衡石”假說是最被廣泛接受的重力感受理論，也是教科書中的經(jīng)典理論。然而淀粉體沉降這個物理過程是如何轉(zhuǎn)變?yōu)橹参矬w內(nèi)的生理生化信號，從而實現(xiàn)重力感受的，120年來并不清楚，是長期“未解之謎”。
9月22日，清華大學生命科學學院、清華-北大生命科學聯(lián)合中心陳浩東團隊在《細胞》（Cell）期刊在線發(fā)表題為“植物中淀粉體沉降重新極性化LAZYs實現(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”假說的分子機制，其核心是植物偏離重力方向后，淀粉體可通過其表面的TOC蛋白攜帶LAZY蛋白一起沉降，并引導LAZY蛋白沿著重力方向在細胞膜上形成新的極性分布，進而調(diào)控植物的向重力性生長（圖1）。
圖1.植物根尖感受重力的簡化模型
該論文中，陳浩東團隊提出的植物根系感受重力的具體模型如下（圖2）：1）植物豎直生長時，根尖柱細胞中的淀粉體沉降在細胞下側(cè)，LAZY蛋白主要定位于細胞下側(cè)的細胞膜上，并且磷酸化水平較低；2）植物偏離重力方向時，MKK5-MPK3蛋白激酶模塊與LAZY蛋白的相互作用增強，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，促進LAZY蛋白從細胞膜向淀粉體外膜的轉(zhuǎn)移；4）淀粉體沉降引導LAZY蛋白在柱細胞新的下側(cè)聚集，此過程中LAZY蛋白可能在淀粉體與細胞膜之間來回轉(zhuǎn)運，在下側(cè)聚集的LAZY蛋白進而調(diào)控生長素的不對稱分布和根的彎曲生長；5）植物根尖回到豎直方向時，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LAZY蛋白在根尖柱細胞下側(cè)細胞膜上聚集形成新的極性，進而調(diào)控根的向重力性
該成果為120年前提出的“淀粉-平衡石”假說提供了分子解釋，揭示了植物感受重力的分子機制，是植物信號轉(zhuǎn)導領域的重大突破。LAZY與TOC兩類蛋白均在不同植物中廣泛存在，該研究揭示的重力感受機制很可能具有普適性。細胞器的運動與極性的形成都是很普遍的生物學現(xiàn)象，該工作揭示的細胞器運動直接調(diào)控蛋白新極性形成的機理，對其他極性相關研究也具有啟示意義。審稿人對該論文給出了非常積極的評價，認為該成果是一項杰出的工作（outstanding work），會引起廣泛的興趣，不僅僅限于植物生物學家（attract a wide level of interest among not just plant biologists）。《植物學報》以“百年假說終獲解析：穿梭的LAZY蛋白‘喚醒’植物對重力的感應”為題，對該論文進行了熱點評述，認為“這一突破性研究成果”是“植物重力感應領域具有里程碑意義的工作”。
清華大學生命科學學院、清華-北大生命科學聯(lián)合中心陳浩東研究員為論文通訊作者。陳浩東研究團隊（含擔任北大鄧興旺實驗室副研究員期間）2017級博士研究生陳家悅、博士后于仁波、博士后李娜、博士后鄧兆國、博士后張欣欣、2017級博士研究生趙亞冉、2020級博士研究生曲城甫為論文共同第一作者；2013級博士研究生袁艷芳、2021級博士研究生潘哲賢、博士后周楊楊、2012級博士研究生李昆侖、2013級博士研究生汪加軍、2023級博士研究生陳之忍、博士后王笑一、博士后王笑連、2022級博士研究生賀舒楠為參與作者。北京大學現(xiàn)代農(nóng)學院及北京大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院鄧興旺教授、美國新澤西州立羅格斯大學董娟教授為研究作出了重要貢獻。該研究得到清華大學篤實專項、清華-北大生命科學聯(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：生命學院
編輯：李華山
審核：郭玲
