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Science | 植物重力感应新机制

来源：花匠小妙招时间：2024-12-18 01:52

责编 | 王一

植物感知到它们相对于重力方向的倾斜度，并相应地调整它们的生长方向，这一过程被称为向地性。向地性主要是由称为平衡细胞的特化细胞感知的。平衡细胞含有充满致密淀粉颗粒的质体，被称为淀粉体。在细胞内，淀粉体通过向重力方向的运动，起到了平衡石的作用。淀粉体的移动促进生长素在重力方向的运输，导致植物器官弯曲。

LAZY1-LIKE(LZY) 家族基因在大多数陆生植物中保守，它与植物的向地性和整个植物的结构有关，该基因控制着各种被子植物的分枝角度。在拟南芥中，LZY蛋白在控制芽和根中平衡细胞淀粉体移动后生长素定向流动的信号过程中起关键作用。

目前对于淀粉体移动产生的生化信号的感知机制已经有多种假设，包括力传感模型和位置传感模型。但具体的分子机制大部分仍处于空白。

近日，来自日本国立基础生物学研究所的研究团队在Science发表了题为Cell polarity linked to gravity sensing is generated by LZY translocation from statoliths to the plasma membrane的研究论文。该研究证明了LZY家族蛋白参与了淀粉体及相关质膜的重力信号转导，导致了根据重力方向的极性定位。

作者首先通过数据库检索发现拟南芥中所有的LZY蛋白有两个以上高碱性疏水结构域，这些结构域通常与膜结合相关。通过突变体及互补材料的表型发现，lzy2,3,4三突变体的初生根向上生长，而LZY3表达的株系中该表型恢复野生型表型。将LZY3蛋白两个疏水结构域位点使用谷氨酰胺替换后发现，两个疏水结构域及其周围序列在LZY3和质膜结合过程中有重要作用。通过对LZY3蛋白中带有的与蛋白酶体途径促进蛋白降解的基序完整性与表型的对比发现，LZY3在质膜上的定位是其在重力信号中发挥功能所必需的。利用亚细胞定位的荧光信号发现，LZY的定位与其包含一个N端的结构域I有关。

接下来，作者使用垂直共聚焦显微镜对侧根细胞进行活细胞成像，结果发现重力刺激后淀粉体移动，同时LZY也随重力方向引动到新的质膜上，产生新的极性。而突变体中淀粉体没有向重力运动，LZY也没有在新的质膜上产生极性，因此证明LZY在质膜上的极化是淀粉体沉积导致的。研究人员又使用荧光生物传感器检测了几种带负电荷的脂质在初生根和侧根中的分布，发现脂质的分布与LZY的极性分布无关。通过在共聚焦显微镜下对淀粉体的移动操作发现，LZY的分布由淀粉体的位置决定，而不由重力决定。

长期以来，植物对重力的感应被认为是通过平衡石对细胞内部结构施加作用力实现，而目前的研究表明，平衡石与质膜之间的靠近或接触会引起局部的扰动，是通过位置感应而不是通过力感应。该研究发现LZY在质膜的极性不通过重力实现，而是通过淀粉体的移动实现，这一发现有力的支持了位置传感器假说，为今后对植物极性运输的分子机制探索提供了重要的理论依据。