建校120年首次！湖南农业大学以第一完成单位在Nature发文

iNature · 公众号 · · 2024-05-23 08:24

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高等植物通过阻止细胞活动(脱水)和复苏过程(水合作用)在陆地缺水和波动中生存。然而，植物在补水过程中如何监测水分的有效性尚不清楚。 虽然低渗透压诱导的细胞质Ca ²⁺ 浓度(HOSCA)的增加一直被认为是在再水合过程中感知低渗透压的机制，但其分子基础仍然未知。

2024年5月22日，湖南农业大学远方、刘峰及美国杜克大学裴真明共同通讯在 Nature 在线发表题为“ Osmosensor-mediated control of Ca ²⁺ spiking in pollen germination ”的研究论文，该研究鉴定了拟南芥中真正的细胞表面低渗透传感器，并发现花粉Ca ²⁺ 峰值是由水通过这些低渗透传感器直接控制的-也就是说，Ca ²⁺ spike是水状态的第二个信使。该研究在大肠杆菌中建立了一个低渗透敏感通道的功能表达筛选，并鉴定出OSCA2.1，它是高渗透压门控钙渗透通道(OSCA)蛋白家族的一员。

该研究筛选了单级和高阶OSCA突变体，观察到 osca2.1 / osca2.2 双敲除突变体在花粉萌发和HOSCA中受损。OSCA2.1和OSCA2.2在植物和HEK293细胞中作为低渗透敏感的Ca ²⁺ 渗透通道发挥作用。培养基渗透压的降低增强了花粉Ca ²⁺ 振荡，这是由OSCA2.1和OSCA2.2介导的，是萌发所必需的。 OSCA2.1和OSCA2.2将细胞外水分状态转化为花粉中的Ca ²⁺ spike，并可能作为跟踪植物再水化的必要低渗透传感器。

所有生物，特别是无根陆地植物，都必须监测其环境中的水，以规划其生长和发育。 陆地植物从水生祖先进化而来，并通过克服两个看似不可逾越的障碍来适应陆地环境：缺水和波动。为了在干旱环境和严酷的季节中生存，祖先的陆地植物不仅获得了特定的取水、运输和管理结构，而且还改进了发展策略。它们最有效的策略之一是通过失水来阻止细胞活动，形成干燥或耐干燥结构，如孢子、花粉和种子。补水可能通过低渗透传感过程发生，类似于其他生物体中的细胞表面低渗透传感器，并涉及第二信使系统，细胞外空间相对于细胞质的较低渗透压被跟踪并转化为第二信使以启动生物活动。然而，植物低渗透传感器仍然是未知的。

早在35年前，Tazawa等人就观察到藻类e2对细胞膨胀调节需要Ca ²⁺ ，并通过注射Ca ²⁺ 敏感的生物发光aequorin1记录了HOSCA，随后在注射荧光染料和表达aequorin的烟草中证实了这一点。长期以来，人们一直假设HOSCA是一种低渗透压感知机制，因为Ca ²⁺ 作为各种刺激的第二信使。事实上，在动物中，一些瞬时受体电位(TRP)通道—一个由大约30个感觉Ca ²⁺ 可渗透通道组成的家族—具有低渗透传感器的功能。 然而，植物中与 HOSCA相关的分子成分仍未被识别，部分原因是分离它们的技术挑战。

OSCA2.1和OSCA2.2是拟南芥水启动和Ca ²⁺ 依赖花粉萌发所必需的（图源自 Nature ）

该研究回答了两个长期存在的问题，关于HOSCA的分子性质的性质，以及HOSCA是否作为一种低渗透传感机制起作用。 还揭示了Ca ²⁺ 振荡作为花粉粒初级刺激的第二信使。由于第二信使是细胞内的小分子，将细胞表面受体接收的细胞外信号传递到细胞质中，研究结果表明，OSCA2.1和OSCA2.2感知细胞外渗透压并转化为花粉中的Ca ²⁺ spike。该研究成果鉴定了植物低渗感受器OSCA2.1和OSCA2.2，环境水分信号转化为细胞内的钙信号，进而调控下游的生理生化反应，系统解析了植物如何感受环境有效水分的分子机制。

这是湖南农业大学建校120年首次作为第一完成单位、第一作者、以及通讯作者在国际顶级综合性期刊正刊上发表研究性论文，其中园艺学院邹学校院士团队裴宋雨博士为第一作者，远方教授和刘峰教授以及美国杜克大学裴真明教授为并列通讯作者。该Nature文章中植物低渗感受器的发现是远方等相继发现了植物高渗干旱感受器，盐感受器，以及双氧水感受器之后的又一重大突破。该研究获得国家“十四五”重点研发计划“农业生物重要性状形成与环境适应性基础研究”重点专项“粮食作物环境感受受体的鉴定及其响应机制（基础类研究）”资助。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07445-6

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