Nature Plants | 德国维尔茨堡大学研究揭示微生物视紫红质对植物生长的光遗传学控制机制！

光遗传学的先驱

学术期刊Science称“光遗传学”为“十年的突破”以来已经快十年了。Rhodopsins（视紫红质）是一种自然光敏性色素，可在许多生物中形成视觉基础。Georg Nagel于1995年与马克斯普朗克生物物理研究所（Knowledge is everything，走进马克斯普朗克学会（MPG））的Ernst Bamberg首次证明了古细菌（细菌视紫红质）的光敏感通道可以整合到脊椎动物细胞中并起作用的事实。在2002/2003年，藻类的光敏离子通道也实现了这一证明。在动物细胞研究中，光遗传学现已成为许多领域中使用的成熟技术。在植物研究中，情况有所不同：直到现在，才可以将原理转移到植物细胞中并广泛应用。

但是，现在情况已经改变了：德国维尔茨堡大学的Georg Nagel教授团队已经成功地在烟草植物中应用了光遗传学方法。近日，他们在国际顶级期刊Nature Plants上介绍了最新的工作成果，题为Optogenetic control of plant growth by amicrobial rhodopsin。同时，德国杜塞尔多夫大学Matias Zurbriggen教授团队在Nature Plants上为该研究撰写了题为Biofortifying green optogenetics的观点评论。

 细胞活动的光控开关

光遗传学是在通过基因工程方法将“光传感器”引入细胞或生物后，通过光操纵细胞或生物。特别是，光控阳离子通道channelrhodopsin-2有助于光遗传学取得突破。借助于光敏感通道蛋白，可以像电灯开关一样打开和关闭细胞的活性。然而，到目前为止，在植物细胞中，这种方法仅在有限的范围内起作用。造成这种情况的主要原因有两个：很难对植物进行基因改造以使其功能上产生视紫红质。此外，它们缺乏一种关键的辅因子—维生素A，没有它视紫红质就不能发挥作用。

图1. 植物的光敏物质合成工程有利于膜去极化的光遗传控制

植物细胞的绿灯

科研人员通过从海洋细菌中引入的酶成功地在烟草中生产了维生素A，从而使视紫红质能够更好地掺入细胞膜中。这首次允许通过阴离子光敏感通道GtACR1对完整的植物或选定的细胞进行非侵入性的光操作。在较早的方法中，植物生理学家已将必需的辅因子维生素A人工添加到细胞中，以使光控阳离子通道在植物细胞中变得活跃。利用现在提出的遗传技巧，科研人员培育出了除视紫红质外还能合成另一种特殊酶（双加氧酶）的植物。这些植物能够从植物叶绿体中富含的维生素A前体产生维生素A（通常在植物中不存在）。维生素A的生产与植物视紫红质的优化相结合。

图2. Ret-eYFP-表达的烟草能够产生光敏物质，并显示出与野生型相似的生长特性

图3. 改良的ACR1 2.0在烟草中的功能表达

图4. ACR1对花粉管生长的光遗传调控

植物研究的新方法

如果用绿光照射这些细胞，则带负离子的细胞膜渗透率会急剧增加，并且膜电位会发生明显变化。通过这种方式，可以专门操纵花粉管的生长和叶片的发育，从而详细研究植物生长过程的分子机制。这种新颖的植物遗传学研究方法将极大地促进将来对植物信号通路的分析。

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