科研成果 / Notice
ABOUT
HUNAU
Nature突破！鄒學(xué)校院士團(tuán)隊(duì)遠(yuǎn)方和劉峰課題組首次發(fā)現(xiàn)植物低滲（多水）感受器（組圖）
本網(wǎng)訊（園藝學(xué)院 劉峰）北京時(shí)間5月22日23時(shí),，中國(guó)工程院院士,、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)鄒學(xué)校院士團(tuán)隊(duì)的遠(yuǎn)方和劉峰課題組研究發(fā)現(xiàn)了植物低滲（多水）感受器OSCA2.1和OSCA2.2,，闡明了滲透感受器依賴的花粉萌發(fā)過(guò)程中鈣震蕩的調(diào)控機(jī)制,，為揭示植物適應(yīng)全球環(huán)境變化的生理生態(tài)效應(yīng)及分子機(jī)制提供重要的理論依據(jù),，對(duì)提升我國(guó)糧食和生態(tài)安全具有重大意義,。
隨著全球氣候變暖,，缺水對(duì)植被和農(nóng)作物的影響越來(lái)越嚴(yán)重,。陸生植物必須通過(guò)監(jiān)測(cè)其環(huán)境中可利用水的多少來(lái)調(diào)控生長(zhǎng)和發(fā)育，當(dāng)植物細(xì)胞外水供應(yīng)多時(shí),，細(xì)胞吸水,，胞外滲透壓相對(duì)于胞內(nèi)滲透壓較低，低滲感受器感受低滲信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)第二信使（如鈣信號(hào)）啟動(dòng)下游的生理生化反應(yīng),。然而,，植物低滲感受器離子通道一直未被發(fā)現(xiàn)。
團(tuán)隊(duì)研究人員在模式植物擬南芥中鑒定到了首個(gè)真正的細(xì)胞表面低滲感受器離子通道,，并發(fā)現(xiàn)了水分通過(guò)低滲感受器直調(diào)控花粉粒鈣信號(hào)（即花粉粒鈣信號(hào)是響應(yīng)水分的第二信使）,。該研究揭示了植物感受環(huán)境水分變化的全新信號(hào)途徑，對(duì)進(jìn)一步闡明水分調(diào)控植物細(xì)胞擴(kuò)展的分子機(jī)制具有重要意義,，對(duì)提升農(nóng)作物的抗逆性和產(chǎn)量具有重要作用,。
圖1. OSCA2.1 和 OSCA2.2 在花粉粒和 HEK293 細(xì)胞中行使低滲激活的細(xì)胞質(zhì)膜鈣離子通道功能
團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌中開發(fā)了低滲響應(yīng)離子通道的功能表達(dá)篩選體系，并分離出低滲感受器OSCA2.1。通過(guò)篩選鑒定單敲除和多敲除OSCA突變體,，發(fā)現(xiàn)OSCA2.1/2.2雙敲除突變體在花粉萌發(fā)和低滲誘導(dǎo)的胞質(zhì)鈣增加(HOSCA)方面受到抑制,。OSCA2.1/2.2在植物和HEK293細(xì)胞中能形成低滲透敏感的鈣離子通道 (圖1)。通過(guò)系統(tǒng)地描述,、定義,、統(tǒng)計(jì)和量化花粉萌發(fā)前鈣振蕩的生物學(xué)特點(diǎn)，研究人員發(fā)現(xiàn)了以前從未報(bào)道過(guò)的花粉粒萌發(fā)前鈣信號(hào)模式,。數(shù)十個(gè)CaOscS均勻地出現(xiàn)在細(xì)胞質(zhì)中,，之后CaOscL逐漸向萌發(fā)孔附近富集，最終引發(fā)花粉管突起（萌發(fā)起始）,。研究還發(fā)現(xiàn)降低花粉萌發(fā)培養(yǎng)基中滲透壓會(huì)增強(qiáng)花粉粒鈣振蕩,，該現(xiàn)象由OSCA2.1/2.2離子通道所介導(dǎo)，而是花粉粒萌發(fā)所必需的 (圖2),。研究表明，OSCA2.1/2.2離子通道感受花粉粒外（胞外）水分信號(hào)后,，并將其轉(zhuǎn)化為花粉粒中（胞內(nèi)）的鈣信號(hào),，證實(shí)該離子通道就是科學(xué)家探索已久植物低滲感受器。
圖2.?通過(guò)降低水勢(shì)來(lái)誘導(dǎo)花粉粒鈣振蕩（模擬復(fù)水過(guò)程）在OSCA2.1/2.2突變體中被破壞
水是細(xì)胞擴(kuò)展最重要的驅(qū)動(dòng)力,，該研究發(fā)現(xiàn)的“多水（胞外）?低滲感受器（細(xì)胞膜）?鈣信號(hào)（胞內(nèi)）”信號(hào)途徑除揭示了生殖細(xì)胞花粉粒萌發(fā)機(jī)理外,，還對(duì)理解營(yíng)養(yǎng)組織中細(xì)胞擴(kuò)展分子機(jī)制具有重要意義。滲透感受器OSCA基因家族1起源于原生生物（protists）進(jìn)化過(guò)程,，它們?cè)诰S持細(xì)胞形狀和彭壓方面發(fā)揮作用,。特別是植物OSCA基因家族的擴(kuò)張和進(jìn)化伴隨著植物從水到陸地的轉(zhuǎn)變，其在植物響應(yīng)水分變化中起著重要作用,。
近年來(lái),，隨著全球氣候變化，極端天氣（干旱和洪澇）災(zāi)害發(fā)生頻率及危害程度逐年增加,。2023年,，我國(guó)由洪澇和干旱等災(zāi)害造成的農(nóng)作物受災(zāi)面積10539.3千公頃，直接經(jīng)濟(jì)損失3454.5億元,。農(nóng)作物抗旱和耐澇機(jī)理的復(fù)雜性,，利用傳統(tǒng)育種方法提高植物的抗旱性困難重重，迄今為止,，還未能找到可以有效提高農(nóng)作物干旱和澇脅迫能力的方法,。該研究成果為研究農(nóng)作物如何利用有效水分，增強(qiáng)水脅迫抗性（抗旱和耐澇）提供了重要的基因資源,；也為揭示植物適應(yīng)全球環(huán)境變化的生理生態(tài)效應(yīng)及分子機(jī)制提供重要的理論依據(jù),，對(duì)提升我國(guó)糧食和生態(tài)安全具有重大意義。
這是我校首次作為第一完成單位、第一作者以及通訊作者在國(guó)際頂級(jí)綜合性期刊《Nature》正刊發(fā)表研究性論文,，鄒學(xué)校院士團(tuán)隊(duì)裴宋雨博士為第一作者,，遠(yuǎn)方教授和劉峰教授以及裴真明教授為并列通訊作者2。該研究獲得國(guó)家“十四五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“農(nóng)業(yè)生物重要性狀形成與環(huán)境適應(yīng)性基礎(chǔ)研究”重點(diǎn)專項(xiàng)“糧食作物環(huán)境感受受體的鑒定及其響應(yīng)機(jī)制（基礎(chǔ)類研究）”資助,。
論文鏈接: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07445-6