北京大学博士后第一作者在Cell子刊（IF5y=9.8）发表研究成果，揭示控制植物下胚轴差异生长的细胞学机制
学术
2025-01-29 23:56
法国
光是植物能量的源泉，并从根本上决定了植物的生理特性和生长模式。为了从黑暗的土壤中破土而出，植物依靠其快速生长的下胚轴，并在接触到光照后迅速调整生长策略以适应新的环境。这一过程的精确控制对植物的成长至关重要。当下胚轴感应到光照条件的变化时，它表现出明显的形态可塑性，成为研究光信号传导和细胞伸长调控机制的理想模型系统。转录因子ELONGATED HYPOCOTYL5（HY5）在植物光反应路径中扮演核心角色，hy5突变体由于对光不敏感，即使在见光后下胚轴仍持续快速伸长，不过具体负责此现象的细胞学机制尚未明确。最近，北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室/小麦育种全国重点实验室李磊研究员团队在Current Biology 发表了题为“Polarized pectin accumulation regulates differential hypocotyl elongation at the dark-to-light transition ”的研究论文。该研究指出，拟南芥细胞壁中的果胶极性分布调节了植物从暗到光转变过程中下胚轴伸长速度的迅速下降。基于之前的研究发现，HY5-miR775-GALT9通路可以调控细胞壁内的果胶含量。此次研究利用延时摄影技术记录了拟南芥下胚轴在接触光前后两小时内长度的变化情况，绘制出其生长动力学曲线并计算生长速率。结果表明，在野生型植株中，下胚轴的生长速率在见光后显著降低；而那些果胶含量较低的株系（如hy5，MIR775-OX，galt9），则在见光后继续高速生长；相反，果胶含量较高的株系（例如HY5-OX，mir775，GALT9-OX）在黑暗环境中生长速率较低（图1）。图1. 不同基因型拟南芥黄化幼苗在见光前后的生长曲线通过使用细胞壁多糖抗体标记以及相干拉曼显微镜等技术，研究人员观察到在短时间内接触光后，下胚轴细胞壁中纤维素和半纤维素的含量没有明显变化，但果胶水平显著上升，尤其是在横向细胞壁上的积累更加明显。此外，研究还发现GALT9蛋白在见光后迅速集中在下胚轴的横向细胞壁附近，且在hy5突变体中过表达GALT9会导致果胶提前在黑暗中积累。原子力显微镜分析显示，这种果胶的极性分布增强了下胚轴横向细胞壁的机械强度（图2A-B）。综上所述，这项研究表明HY5-miR775-GALT9通路介导的果胶极性分布与细胞壁刚性的不对称增加相关，从而抑制了光照下的细胞伸长（图2C）。本研究不仅揭示了控制下胚轴差异生长的细胞学机制，也为深入理解化学物质基础、细胞壁力学特征和器官发育之间的相互关系提供了新视角。图2. 果胶的不对称分布决定了细胞壁力学性质和细胞伸长李磊研究员为该论文通讯作者，北京大学现代农业研究院访问学者、北京大学现代农学院博士后张禾为本文第一作者，北京大学现代农学院博士后肖亮、北京大学生命科学学院覃思颖博士、北京大学现代农学院博士后万苗苗、北京大学生命科学学院已毕业沈凤博士、北京大学生命科学学院博士研究生赵佳禾等对该论文亦有重要贡献。振电（苏州）医疗科技有限公司的伊首璞和卢习在拉曼成像和数据分析方面提供了技术支持，北京大学国家蛋白质科学中心在原子力显微镜分析方面提供了帮助。该研究得到了国家自然科学基金和泰山学者项目的支持。
