植物细胞上不同胁迫反应的非侵入性光遗传刺激

两种离子通道（细胞膜上允许离子通过的结构）已经被基因工程改造，以非侵入性地揭示植物的应激反应。当被光触发时，一个通道引起对渗透胁迫（由缺水引起）的反应，而另一个通道则引起对生物胁迫（如伤害或病原体）的免疫反应。

问题提出

固定植物无法逃避危险。相反，当它们感知到诸如物理伤害、病原体或盐分等压力源时，它们会迅速产生化学和电信号，这些信号被认为会触发代谢转换和基因重编程。植物对压力的最初反应是电信号或细胞内液体中钙离子浓度的变化（细胞质[Ca2+]），或者是激素或活性氧物种（ROS）的变化。这样的信号建立了一个复杂的调控网络，使植物能够应对各种压力1–3。然而，这些信号如何产生明确的生理结果仍然不清楚。通过遗传手段，利用功能丧失突变体研究，已经发现了一些解码钙离子和电信号的分子机制。但是，要解码离子信号，需要非侵入性工具。

结果发现

光遗传学是一项强大的技术，它使用光以精确的空间时间分辨率操纵细胞4。我们之前介绍了一种用于植物的光遗传学技术5，在该技术中，目标细胞被改造以表达光敏感离子通道（视紫红质）。我们开发了一种视紫红质变体XXM 2.0，它对钙离子具有高度通透性（图1），并使用绿光作为触发器在烟草植物Nicotiana tabacum中增加细胞质[Ca2+]。

图1 | 使用绿光刺激经过基因工程改造的XXM 2.0和ACR1 2.0视紫红质在烟草植物叶片中触发对生理压力的不同反应。Nicotiana tabacum植物产生视黄醛（Ret），一种吸收光以启动蛋白质功能的视紫红质；eYFP是一种增强型黄色荧光蛋白。a，正常叶片（顶部）和转基因叶片（显示枯萎和斑点；中部和底部）在24小时后的表型（n=6片叶子）。比例尺，5厘米。b，正常和转基因叶片中膜电位（Vm，顶部）和过氧化氢（H2O2，底部）动态的同时量化。数据为平均值±标准误（阴影部分）；Ret-XXM 2.0为n=7片叶子，Ret-ACR1 2.0为n=8片叶子，Ret-eYFP为n=10片叶子。粗绿色条表示绿光照射期。信用：丁明等/《自然》（CC BY 4.0）

在本研究中，我们使用了XXM 2.0和另一种视紫红质ACR1 2.05。当绿光照在ACR1 2.0上时，它通过引起阴离子外流导致膜去极化，进而释放钾离子。XXM 2.0通过钙离子流入细胞触发类似的电信号。这使我们能够比较仅由膜去极化或由膜去极化加上细胞质[Ca2+]增加在N. tabacum植物中触发的生理反应。

我们使用全光学生理测量（图1）来修改和监测两种视紫红质触发的电信号、ROS和细胞质[Ca2+]。通过比较表型（如叶片枯萎或“死斑”）、代谢物分析（如植物激素）和转录组分析（呈现基因表达水平）来确定生理反应。

XXM 2.0依赖的细胞质[Ca2+]信号伴随着可复制的膜去极化，这可以通过光强度和持续时间进行调节。在XXM 2.0刺激后，细胞质[Ca2+]和电信号之后会释放过氧化氢（一种ROS）。相比之下，ACR1 2.0的刺激引发了类似的膜去极化，但没有明显的ROS释放。这些结果表明ROS的产生依赖于细胞质[Ca2+]。

值得注意的是，尽管引发类似的膜去极化，两种视紫红质产生了不同的生理反应，如它们的表型、代谢物和转录重编程所表明的那样。由ACR1 2.0引发的阴离子外流依赖性去极化触发了渗透压应激反应和渗透压应激相关基因的上调。相比之下，由XXM 2.0产生的细胞质[Ca2+]增加促进了免疫反应和生物应激相关基因的上调。

未来方向 

光遗传工具可以用来实现对植物应激反应的精确时空控制，如钙离子信号、电信号或特定离子通量。因此，可以揭示特定离子通量在植物生长、发育和应激反应中的精确作用。这些研究的洞见可以使人们能够调整遗传特征以提高作物的抗逆性。

使用这类技术的未来研究可以帮助回答植物生物学中的一些长期问题。例如，它们可以揭示局部和传播信号如何编码系统通信的信息，以控制植物的应激管理。并且它们可以展示应激记忆是如何受到定义的化学和电信号影响的。然而，植物光遗传学工具箱还需要大幅扩展。例如，更多的视紫红质可以让植物科学家调查植物营养和生理学中离子运输和信号传导的关键方面。空间光遗传控制将是研究植物在特定组织甚至亚细胞水平上反应的有用工具。— Meiqi Ding和Shiqiang Gao在德国维尔茨堡大学

专家意见

多样化的光遗传技术已经推进了我们对其他系统中复杂细胞过程的理解，因此在植物中的通用示范是必要且受欢迎的。作者在这里的实验策略既巧妙又潜在有用：他们针对导致信号级联激活的一系列事件中的特定点进行操作，以确定每个事件对最终生理反应的相对贡献。— Matias Zurbriggen在杜塞尔多夫海因里希·海涅大学CEPLAS

论文背后故事 

理解植物中电和钙离子信号的努力导致了光遗传学在植物科学中的应用建立。这项研究源于植物学家、神经生理学家和制药生物学家的合作，每个人都具备独特的技术技能，旨在解码植物应激信号通路。该项目克服了几个挑战，包括需要工程设计植物以产生视黄醛5，建立针对质膜的视紫红质表达以及优化植物在红光下的生长条件。该项目解决了化学和电信号如何编码特定植物反应的基本问题。我们还实施了创新的光遗传学技术来非侵入性地控制植物行为，并为可持续农业和植物科学提供了无尽的可能性。— S.G.

《自然》编辑看法：

这项研究开发了一种基于钙信号的工具，该工具可能有助于研究植物对各种形式的胁迫的适应。作者还提供了有趣的生物学见解，以证明他们的光遗传学工具的有效性。《自然》杂志编辑团队。