Science：利用光遗传学技术在植物保卫细胞中发现一种新型的酸传感蛋白

在一项新的研究中，来自德国维尔茨堡大学的研究人员利用光遗传学技术，在植物细胞中检测到了一种新的酸传感蛋白，这种酸传感蛋白可解决细胞内部的钙储存问题。相关研究结果发表在2023年12月15日的Science期刊上，论文标题为“Light-gated channelrhodopsin sparks proton-induced calcium release in guard cells”。

当植物受到病原体感染、缺水或必须对其他外部刺激做出反应时，它们首先会增加受影响细胞中的质子和钙离子浓度。质子和钙离子就像信使物质一样，引发细胞内的进一步反应。

质子和钙离子在这一过程中的相互作用以前在很大程度上是未知的。维尔茨堡大学生物物理学家 Rainer Hedrich 教授领导的一个研究团队在这项新的研究中揭示了这一问题。

他们利用一种复杂的光遗传学方法，在植物细胞中发现了一种以前未知的内源性酸传感器。他们还在叶片的保卫细胞（guard cell）中发现了一种钙库（calcium store），这种钙库在处理细胞反应中的质子信号时发挥着重要作用。

质子和钙离子等简单元素为何能起到信号作用

在进化过程中，细胞将它们的代谢设计为利用能量丰富的磷酸盐。这就产生了一个问题：在细胞 pH 值以中性为主的情况下，有价值的磷酸盐会被钙离子（Ca2+）结合，转化为不溶解的形式（磷酸二氢钙），从而不再可用。

为了避免这种情况，细胞会将内部钙含量保持在很低的水平。然而，在细胞所处的环境中，钙的含量却要高出 10000 倍。在细胞外，质子（H+）的浓度和酸度也要高得多。由于这种浓度梯度，这两种离子都有流入细胞的强烈冲动，使它们成为理想的信使物质。

Hedrich解释说，“细胞膜上的钙离子和质子通道受刺激打开，导致细胞内这两种信使离子暂时增加。细胞将其理解为一种信号，并利用钙和质子结合酶将其转化为生物反应。”

光开关控制质子流入细胞

植物细胞是如何对质子流入及其相关的细胞质酸化做出反应的呢？到目前为止，我们只能通过大量的实验来研究这个问题，即便如此，也只能是间接地研究。

如今，由于Hedrich团队利用光遗传学方法开发了一种装备适当的拟南芥（Arabidopsis thaliana），这方面的研究变得更加容易了：一种来自真菌的光敏质子通道---光敏感通道蛋白KCR2，经过优化后可用于植物细胞，由此产生新的拟南芥突变体。这意味着，质子如今可以在光脉冲的作用下被特异性地送入细胞。此外，他们还将 KCR2 与基因编码的 pH 报告蛋白pHuji 一起表达。这样，就可以非常容易地测量 KCR2 激活后细胞内当前的 pH 值。

HcKCR2在植物细胞中发挥功能。图片来自Science, 2023, doi:10.1126/science.adj9696。

论文第一作者Shouguang Huang接下来仔细观察了这种拟南芥新突变体的保卫细胞。Huang说，“当我用蓝光刺激它们一秒钟时，它们就去极化了，这正如我对光激活质子通道的预期一样。”在随后的实验中，这些作者取得了一个意义深远的发现。

KCR2 激活使细胞酸化并导致钙上升

这些作者对保卫细胞进行的电生理研究表明，当光刺激开始时，膜电位立即去极化，pH 报告蛋白pHuji 发出细胞内部酸化的信号。

Hedrich说，“然而，让我们感到惊讶的是，在光脉冲结束后，去极化和酸化还持续了一分钟之久。这只能说明，光激活 KCR2 和酸化激活了保卫细胞自身的离子通道。这些通道就是人们早已熟知的保卫细胞阴离子通道 SLAC1 和 SLAH3，不过，它们的激活也需要钙的存在。”

内质网作为钙库

Hedrich总结道，“综合所有事实，我们可以认为，KCR2 所携带的质子电流以及与之相关的细胞内部酸化也一定产生了钙信号。”

Hedrich团队能够证实在保卫细胞迅速酸化之后，会产生一个持续 150 到 200 秒的钙信号。他们还发现，这种钙信号不是来自细胞外，而是从内源性钙库---内质网--中释放出来的。内质网是一个贯穿细胞质的膜管网络。

今后的研究将侧重于分析内质网质子敏感钙通道的分子性质，并研究其质子激活的开放/关闭开关。总之，这样的研究对于更好地了解植物细胞如何对感染和干旱等外部刺激做出反应非常重要。（生物谷 Bioon.com）

参考资料：

Shouguang Huang et al. Light-gated channelrhodopsin sparks proton-induced calcium release in guard cells. Science, 2023, doi:10.1126/science.adj9696.

Acid Sensor and Calcium Store Discovered in Plants
https://www.uni-wuerzburg.de/en/news-and-events/news/detail/news/acid-sensor-and-calcium-store-discovered-in-plants/