揭示微絲細胞骨架在植物重力感知、信號傳遞中的功能

已有較多的研究結果表明，微絲細胞骨架在植物響應重力變化中起到重要作用；但是由于以往研究中所用的微絲抑制劑、研究材料、植物器官的不同，至今仍沒有明確的有關微絲細胞骨架如何參與植物重力響應的精細機制。根據“淀粉體-平衡石”假說，植物感重細胞（如根尖小柱細胞和莖內皮層細胞）內的淀粉體在感知重力變化后發(fā)生沉降，可迅速將物理信號轉化為生物化學信號。由于感重細胞內存在著復雜的亞細胞結構（如細胞骨架和內膜系統(tǒng)等），造成了淀粉體運動復雜的力學特性。

中國科學院植物研究所樂捷研究組應用流體力學微流變方法分析了擬南芥根尖感重細胞內淀粉體的運動特性，用此方法對植物根的重力研究之前未見報道。研究人員發(fā)現，在重力刺激（旋轉90度）下野生型感重細胞內的淀粉體運動具有明顯的“牢籠-逃逸（cage-escape）”和協(xié)同運動的力學效應。在ARP2/3微絲相關蛋白復合體突變體（dis1-1, dis2-1）的根尖感重細胞中，由于淀粉體被異常形成的粗微絲束所束縛和分離，缺少明顯的淀粉體“牢籠-逃逸”和協(xié)同運動；而微絲解聚劑（Latrunculin B）預處理可以顯著地打破微絲突變體中存在的淀粉體運動的“牢籠”效應。

進一步的研究結果表明，ARP3/DIS1亞基不僅參與感重細胞內的重力感知，還參與了重要的重力信號——生長素的胞間傳遞。在dis1-1突變體中，多個生長素運輸載體PIN家族蛋白（PIN2、PIN3、PIN7）在胞內的運轉發(fā)生異常，影響了生長素在根上、下兩側細胞內不對稱分布的迅速建立，造成根的向地彎曲生長延遲。

該研究揭示了微絲細胞骨架在植物重力感知、信號傳遞中的功能，對于進一步揭示植物發(fā)育和形態(tài)建成的調控機制，以及改良作物株型、抗倒伏等農藝性狀提供了新的研究方法和理論依據。

該研究發(fā)表在《實驗植物學雜志》（Journal of Experimental Botany）上，相關研究結果于2015年發(fā)表在《分子植物》（Molecular Plant）上。樂捷研究組助理研究員鄒俊杰為2篇論文的一合作作者，樂捷和中科院力學研究所研究員王育人為2篇論文的共同通訊作者。研究得到了國家科技部重點基礎研究發(fā)展計劃（“973”計劃）項目和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（A類）資助。

植物微絲細胞骨架相關蛋白ARP3參與根重力響應中的重力感知和生長素運轉。（A-D）微流變技術分析發(fā)現擬南芥ARP3突變體dis1-1根尖中央感重細胞內存在較高的區(qū)域表觀粘度，微絲束對淀粉體運動形成較強的“牢籠”力學效應。（E-L）Brefedlin A藥劑處理后，ARP3突變體dis1-1中生長素運輸蛋白PIN2-GFP在胞內的異常積累消失緩慢。