光遗传学研究在植物细胞中检测新的酸传感器

作者：Sebastian Hofmann，Julius-Maximilians-Universität Würzburg

HcKCR2 在植物细胞中起作用 A. 表达 eYFP 标记的 HcKCR2 或对照 （Ret-eYFP） 的本氏奈瑟菌原生质体的共聚焦图像，在瞬时转化后 48 小时捕获。B-C.用对照构建体（B）或HcKCR2（C）转化的本氏奈瑟菌原生质体的膜片钳实验中记录的全细胞电流。将细胞保持在 -60 mV 的保持电位，并以 40 至 -60 mV 的步长进行测试，递减 20 mV，持续 8 秒。5 s BL 脉冲 （λ = 490 nm， 5 mW/mm2）施加在每个电压阶跃上。D.对照和HcKCR2表达原生质体的I-V关系。图片来源：科学（2023 年）。DOI： 10.1126/science.adj9696

利用光遗传学，维尔茨堡的研究人员在植物细胞中检测到一种新的酸传感器，该传感器可以解决细胞内部的钙储存问题。该研究发表在《科学》杂志上。

当植物被病原体感染、缺水或不得不对其他外部刺激做出反应时，它们要做的第一件事就是增加受影响细胞中的质子和钙浓度。然后，质子和钙离子就像信使物质一样，在细胞中引发进一步的反应。

在这个过程中，质子和钙离子之间的相互作用以前在很大程度上是未知的。由德国巴伐利亚州维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学（JMU）的生物物理学家Rainer Hedrich教授领导的团队进行的一项新研究现在为这一主题提供了新的线索。

使用复杂的光遗传学方法，研究人员在植物细胞中发现了一种以前未知的内源性酸传感器。他们在叶子的保卫细胞中发现，有一种钙储存在处理细胞反应中的质子信号中起着重要作用。

为什么像质子和钙离子这样的简单元素可以作为信号

在进化过程中，细胞已经设计了它们的新陈代谢以利用富含能量的磷酸盐。这导致了一个问题：在细胞pH值主要为中性的情况下，有价值的磷酸盐可以与钙离子（Ca2+）并转化为不溶性，因此不再可用的形式（磷酸二氢钙）。

为了避免这种情况，细胞将其内部钙水平保持在非常低的水平。然而，在他们的环境中，它要高出 10,000 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，两种类型的离子都有强烈的流入细胞的冲动，使它们成为用作信使物质的理想选择。+

“细胞膜中钙和质子通道的刺激依赖性开放导致两个信使离子的细胞内暂时增加，”Hedrich解释说。“细胞将其理解为一种信号，它们使用钙和质子结合酶将其转化为生物反应。

电灯开关控制质子流入细胞

植物细胞如何对质子的流入及其细胞浆的酸化做出反应？到目前为止，这只能通过大量的实验努力来研究，即使那样也只能间接地进行。

现在，这要归功于Hedrich的团队使用光遗传学方法开发的适当装备的水芹（拟南芥），这要容易得多：来自真菌的光敏质子通道，通道视紫红质KCR2，被优化用于植物细胞。这意味着质子现在可以响应光脉冲被特异性地送入细胞。此外，它们还表达了 KCR2 和遗传编码的 pH 报告基因 pHuji。这使得在KCR2激活时测量细胞中的当前pH值变得非常容易。

《科学》杂志的作者黄寿光接下来仔细研究了新拟南芥突变体的保卫细胞。“当我用蓝光刺激它们一秒钟时，它们会去极化，就像我对光激活质子通道所期望的那样，”研究人员说。在随后的实验中，维尔茨堡离子通道专家取得了意义深远的发现。

KCR2 激活使细胞酸化并导致钙升高

他们对保卫细胞的电生理学研究表明，当光刺激开始时，膜电位立即去极化，pH报告基因pHuji发出细胞内部酸化的信号。

“然而，当去极化和酸化在光脉冲结束后持续了一分钟时，我们感到惊讶，”Hedrich说。“这只能意味着KCR2的光激活和酸化激活了括约肌细胞自身的离子通道。这些是众所周知的保卫细胞阴离子通道 SLAC1 和 SLAH3，然而，它们的激活也需要钙的存在。

内质网作为钙储存

“综合所有事实，可以假设KCR2携带的质子电流和细胞内部的相关酸化也一定产生了钙信号，”JMU教授总结道。

他的团队能够证明，保卫细胞的快速酸化之后是持续150至200秒的钙信号。他们发现这种钙不是来自细胞外，而是从内源性储存，即内质网释放出来的。这是一个由贯穿细胞质的膜管和蓄水池组成的网络。

未来的研究现在将集中在分析内质网的H敏感钙通道的分子性质，并研究其质子激活的开/关开关。总的来说，这些研究对于更好地了解植物细胞如何对感染或干旱等外部刺激做出反应非常重要。+

更多信息：Shouguang Huang 等人，光门控通道视紫红质引发保卫细胞中质子诱导的钙释放，科学（2023 年）。DOI： 10.1126/science.adj9696

期刊信息： Science 

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