当受到外界胁迫时，固着生长的植物会通过代谢产物水平变化和基因表达重编程进行快速响应。电信号、胞质钙离子浓度（[Ca²⁺] cyt）和活性氧（ROS）信号是植物在面对诸如创伤、病原体攻击、干旱胁迫、盐胁迫等多种胁迫时最早观察到的响应信号因子，并且被认为是相互交织的。然而，这些特异的信号因子转化为特定生理结果的机制尚不清楚。
2024年8月28日，德国维尔茨堡大学研究团队在Nature在线发表了题为Probing plant signal processing optogenetically by two channelrhodopsins的研究论文，报道了他们运用精密的光遗传学工具诱导了不同性质的电信号和Ca²⁺信号并探索了这些特异信号所编码的生理响应，为植物胁迫响应机制研究提供了新颖的思路。
本研究中应用了光遗传学工具来编码不同的信号因子。基于视紫红质通道蛋白的光遗传学技术可以通过光对细胞进行非侵入性的精准操作，此类调控具有高度可逆性和时空精准性，可以根据科研工作者的需求编码预期设计的特定信号。研究团队通过对通道视紫红质进行工程改造，得到一种名为 XXM 2.0 的基因工程通道视紫红质变体，它具有高 Ca²⁺电导，能够触发植物体内胞质 Ca²⁺升高。我们同时研究了植物对通过XXM 2.0 光诱导的 Ca²⁺内流的反应以及通过光门控阴离子通道视紫红质 ACR1 2.0 的阴离子外流所引起的效应。
研究结果显示，这两种工具都触发了膜去极化，但它们的激活导致了不同的植物应激反应：XXM 2.0 诱导的 Ca²⁺信号刺激了活性氧物质的产生和防御机制；ACR1 2.0 介导的阴离子外流触发了干旱应激反应。这表明，离散的 Ca²⁺信号和阴离子外流作为特定代谢和基因表达重编程的触发器，使植物能够适应特定的应激情况。研究结果揭示了在植物叶片中，特定的离子通量触发了不同的生理反应，这些反应伴随着相似的电信号。
图2 由XXM 2.0 和 ACR1 2.0的激活导致了明显不同的植物应激反应，包括表型变化和 ROS、H₂O₂的产生情况。
图3 XXM 2.0 和 ACR1 2.0 的激活触发了不同的代谢物和激素模式。
研究中烟草叶片的叶绿素荧光参数测量通过叶绿素荧光成像系统MAXI-IMAGING-PAM完成。
历尽三伏热，天凉好个秋。
