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首次实现植物细胞中生长素实时观察
来源: iPlants 发布时间:2021-06-21

Nature杂志在线发表了来自德国马普研究所Gerd Jürgens课题组和Birte H?cker课题组合作题为“A biosensor for the direct visualization of auxin”的研究论文。该论文开发出一种新颖的生长素传感器,即经过人工改造后的人工蛋白质,可以实时显示植物植物细胞中生长素的空间分布。该传感器为研究人员打开了对植物内部运作的全新见解。

生长素在植物生命中起着核心作用,不仅可以调控细胞分裂和促进细胞伸长,同时以其分布的浓度梯度影响植物个体及其器官的形态建成。化学渗透模型表明生长素处于质子态可自由扩散, 而离子态则需要膜定位的运输生长素的载体来主动运输。生长素向胞内运输是AUX/LAX蛋白家族包括AUX1、LAX1、LAX2和LAX3; 向胞外运输为PIN蛋白家族和ABCB/PGP蛋白家族,这些共同作用使生长素在很短的时间内在组织中快速的重新分布。

目前为止,只能使用间接方式来观察植物生长素的分布,例如生长素依赖性表达报告基因(例如DR5::GUS;DR5::ER-GFP ),这种间接方法的特点是需要时间成像,并且可能会受到生长素信号转导机制的调节的影响。另一种方法是,已经从与IAA抑制蛋白的结构域II连接的荧光蛋白(例如DII-VENUS 和R2D2)的生长素依赖性降解(进而信号降低)推断出IAA水平。这些方法的局限性是它们的不可逆性,从而无法观察到生长素水平的瞬时变化。因此需要一款能在体内实现生长素分布的定量可视化的生物传感器。
该研究基于色氨酸与生长素结构相似的特性,改造了大肠杆菌中色氨酸阻遏蛋白,将其结合口袋能特异性可逆的结合生长素,即生物传感器AuxSen。研究表明生长素结合该蛋白质后与其他两种蛋白质偶联,当用特定波长的光激发时,它们会发出荧光,因此能够使用荧光共振能量转移信号作为读数。

此外,该研究还将AuxSen生物传感器在植物中使用化学试剂诱导表达,用来实现在相对较短的时间内表达出来,使植物不会受到伤害。研究发现,植物生长素会被细胞迅速吸取,只需要1-2min,但是生长素从细胞中的输出似乎较慢,大约需要10min, 而摄取快和出口慢之间的这种差异可能促进生长素的定向运输。

综上所述,与以前的系统不同,该传感器可以直接监测单个细胞以及植物体内细胞室内的生长素的快速摄取和清除。通过响应沿根轴的渐变空间分布及其受运输抑制剂的干扰,以及内生生长素响应重力矢量的变化而快速且可逆地重新分布。因此,该传感器可以直接在单个植物细胞中可视化生长素的变化,并且首次观察到植物生长素的快速和动态重新分布。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-03425-2


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