?子科生物報道：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，Charles Darwin在《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(xué)家Bohumil Nemec, Gottlieb Haberlandt與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?！暗矸?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”。

2023年9月22日，清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)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”（Amyloplast sedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants）的研究論文（Submitted：April 8, 2023）。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(dǎo)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。

以往的研究顯示LAZY家族蛋白在多種植物地上及地下部分的向重力性中發(fā)揮關(guān)鍵作用。陳浩東團隊通過基因編輯將擬南芥中LAZY2、LAZY3、LAZY4同時突變后，lazy234三突變體的根尖呈現(xiàn)出隨機方向生長的表型，表明根系失去了向重力性。在遺傳回補實驗中，將LAZY2、LAZY3或LAZY4分別表達在lazy234中，均可以將根尖回復(fù)至向下生長，說明LAZY2、LAZY3和LAZY4在根的向重力性中具有重要功能，且這三個基因的功能具有冗余性。lazy234突變體中重力刺激引起的根尖生長素不對稱現(xiàn)象消失，與表型一致。熒光觀察與免疫電鏡等實驗表明這三個LAZY蛋白主要定位在擬南芥根尖柱細胞的細胞膜和淀粉體膜上，LAZY可與細胞膜上的磷脂直接結(jié)合。植物偏離重力方向后，淀粉體在柱細胞中沿著重力方向沉降至細胞新的下側(cè)。沉降過程中，靠近淀粉體的細胞膜上出現(xiàn)聚集的LAZY-GFP熒光信號，淀粉體沉降到底部后，底部細胞膜上的熒光顯著增強。淀粉缺失會導(dǎo)致質(zhì)體沉降變慢，LAZY的重新極性化相應(yīng)變慢，植物的向重力性變差。熒光漂白恢復(fù)實驗表明LAZY蛋白可以從淀粉體表面轉(zhuǎn)移至鄰近的細胞膜上。這些數(shù)據(jù)表明，淀粉體沉降可幫助LAZY蛋白在柱細胞膜上形成沿重力方向的新極性，進而調(diào)控植物的向重力性。近期發(fā)表在Science上的研究結(jié)果也同樣發(fā)現(xiàn)LAZY/LZY蛋白可以定位在淀粉體上，在重力刺激下LAZY/LZY能夠隨著淀粉體的沉降重新極性定位到下側(cè)細胞膜上鄰近淀粉體的位置（Science 381, 1006-1010; Submitted: April 11, 2023; Online: Aug. 10; Print: Sept. 01）。

進一步，陳浩東團隊以LAZY4為代表開展了生化機制研究。研究發(fā)現(xiàn)，植物改變相對于重力的方向后，LAZY4與蛋白激酶MPK3和MKK5的相互作用短時間內(nèi)快速增強，當(dāng)根尖恢復(fù)至豎直向下生長時互作減弱；在此過程中，LAZY4的磷酸化水平相應(yīng)地先增強再減弱。MPK3/6 表達量降低或LAZY4上磷酸化位點的失活突變，均會導(dǎo)致LAZY4的淀粉體定位、重力刺激后LAZY4極性形成受到削弱，植物的向重力性變差。酵母雙雜交實驗中，模擬磷酸化的LAZY4可以與TOC復(fù)合體的組分TOC34、TOC120、TOC132相互作用，而正常形式的LAZY4和這些TOC蛋白無明顯互作。將TOC120與TOC132基因同時突變后，LAZY4蛋白的淀粉體定位及重力刺激引起的LAZY4細胞膜極性定位均顯著減弱，突變體根的向重力性也顯著減弱。這些結(jié)果表明TOC蛋白可通過與磷酸化LAZY4蛋白的互作，調(diào)控其在柱細胞中的極性分布，進而調(diào)控植物的向重力性。

通過上述研究，陳浩東團隊解析了 “淀粉-平衡石”假說的分子機制，提出了植物根系感受重力的模型（圖2），具體如下：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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)領(lǐng)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(xué)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，對其它極性相關(guān)研究也具有啟示意義。審稿人對該工作給出了非常積極的評價，一位審稿人說：“This innovative gravity sensing mechanism is likely to attract a wide level of interest among not just plant biologists, making the topic suitable for publication in a general journal like Cell.”，另一位審稿人說：“I congratulate the authors for their outstanding work”。

清華大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院、清華-北大生命科學(xué)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(dān)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（北大現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院，2020年起在清華訪問研究，已畢業(yè)）、博士后于仁波（北大生命學(xué)院，已出站）、博士后李娜（清華生命學(xué)院）、博士后鄧兆國（清華生命學(xué)院）、博士后張欣欣（北大現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院，已出站）、2017級博士研究生趙亞冉（北大生命學(xué)院，2020年起在清華訪問研究，已畢業(yè)）、2020級博士研究生曲城甫（清華生命學(xué)院）為論文共同第一作者；2013級博士研究生袁艷芳（北大生命學(xué)院，已畢業(yè)）、2021級博士研究生潘哲賢（清華生命學(xué)院）、博士后周楊楊（北大現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院）、2012級博士研究生李昆侖（北大生命學(xué)院，已畢業(yè)）、2013級博士研究生汪加軍（北大生命學(xué)院，已畢業(yè)）、2023級博士研究生陳之忍（清華生命學(xué)院）、博士后王笑一（北大生命學(xué)院，已出站）、博士后王笑連（清華生命學(xué)院）、2022級博士研究生賀舒楠（清華生命學(xué)院）為參與作者。北京大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)學(xué)院及北京大學(xué)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(xué)董娟教授為本研究做出了重要貢獻。

該工作得到了北京大學(xué)瞿禮嘉教授，福建農(nóng)林大學(xué)徐通達教授，美國Wilkes University William Terzaghi教授，北京大學(xué)秦跟基教授，清華大學(xué)俞立教授、歐光朔教授、劉玉樂教授、戚益軍教授、黃善金教授、謝道昕教授、鄧海騰教授，南方科技大學(xué)朱健康教授，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)陳其軍教授的寶貴建議或幫助。質(zhì)譜工作得到了北京大學(xué)劉棟博士、張琪博士，清華大學(xué)陳宇凌博士的技術(shù)支持；電鏡工作得到了北京大學(xué)劉軼群博士、胡迎春博士、技術(shù)員董鵬媛，清華大學(xué)李英博士的技術(shù)支持；實驗材料制備得到了清華大學(xué)科研助理秦會芳、2023級博士研究生孫菁溪的支持。資助來自國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金與創(chuàng)新研究群體項目、清華大學(xué)篤實專項、清華-北大生命科學(xué)聯(lián)合中心等。