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新研究揭示了植物细胞如何感知和响应机械力

穿过细胞膜的微小隧道帮助细胞感知和响应机械力,例如压力或触摸。《科学》杂志上的一项新研究率先直接研究了这些机械敏感离子通道中的一种在开花植物的苔藓和花粉管的尖端生长细胞中的作用,以及如何作用。

由圣路易斯华盛顿大学的 Elizabeth Haswell 领导的生物学家发现,在植物细胞的质膜上并没有像在动物细胞中那样发现所谓的 PIEZO 通道。

相反,他们观察到 PIEZO 通道已经退回到植物细胞中,这是一个意想不到的发现。PIEZO 通道位于细胞内更深处的液泡膜中 - 大型细胞内细胞器,有助于维持细胞膨胀并在植物细胞中发挥许多其他作用。

植物中的 PIEZO 通道在调节液泡的形状和膜的数量方面发挥着重要而关键的作用。”

Elizabeth Haswell,艺术与科学生物学教授,霍华德休斯医学研究所西蒙斯学院学者

“这是参与调节细胞器形态的 PIEZO 通道的第一个例子,”她说。“我们提供的数据可能会导致对植物和动物 PIEZO 同源物的新研究。”

顾名思义,机械敏感离子通道是通过对机械力作出反应的细胞膜的路径或隧道。在一定的力下,通道打开,允许离子流过膜。

在人类中,PIEZO 通道对生命至关重要;没有它们,细胞发育就会停止。它们因其在感知轻触、剪切力和压缩力方面的作用而闻名。PIEZO 通道的功能障碍与多种人类疾病有关。

PIEZO 通道于 2010 年首次在植物基因组中被发现。经过对动物同源物的十年研究,这项新研究聚焦于植物细胞并探索它们与动物细胞的不同之处。其他研究团队最近表明,PIEZO 通道参与植物根部的机械传感。

研究人员使用一种有点不典型的模式植物的尖端生长细胞做出了他们的初步发现,传播了土苔(Physcomitrium patens)。

但是科学家们能够将他们的发现从苔藓扩展到其他远缘植物的细胞,包括经典模型中的花粉管,即开花植物拟南芥。

“苔藓是构成苔藓植物的群体之一,苔藓植物是第二大陆地植物谱系,”Haswell 实验室的研究科学家、新论文的第一作者 Ivan Radin 说。

“当我们能够证明同样的事情发生在苔藓和开花植物中时,就像我们在这里所做的那样,最有可能的结论是这个过程是祖先的——它至少和陆地植物一样古老,”Radin 说,注意到陆地植物大约在 50 亿年前殖民地球。

在共同作者、达特茅斯大学生物科学教授 Magdalena Bezanilla 的指导下,Radin 成为 Haswell 实验室事实上的苔藓专家。Bezanilla 之前曾与华盛顿大学的 Ralph Quatrano、名誉院长和 Spencer T. Olin 生物学名誉教授合作,他是苔藓的早期采用者。

“时间越久,我们就越喜欢它,”Radin 说。“事实证明,莫斯是一个非常好的模特。”

作为这项研究的下一步,Haswell 实验室的科学家现在正在进行额外的实验,以展示外部和内部力量如何直接影响苔藓细胞中的 PIEZO 通道。

“植物 PIEZO 通道很可能受到植物膜张力的控制,就像它们在动物中一样,”Haswell 说。科学家们还在探索藻类中这些通道的进化。

现在他们知道了细胞中 PIEZO 通道的位置,Haswell 和她的团队准备找出这些蛋白质在液泡中的作用。

“我们正在研究 PIEZO 通道激活如何导致膜加工以及它是如何被调节的,”Haswell 说。“我们想知道这种定位是如何进化的,以及它在其他细胞类型中的作用。我们计划将结构和功能与动物通道和整个绿色谱系的生物进行比较和对比。”

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