2020年11月27日，國際著名學術期刊Science Advances發(fā)表了北京大學生命科學學院鐘上威研究員課題組題為“Touch-induced seedling morphological changes are determined by ethylene-regulated pectin degradation”的研究論文。該研究發(fā)現植物細胞壁中的果膠結構能受到機械觸碰的動態(tài)可逆調節(jié)，反復多次或長時間的碰觸將逐漸改變細胞壁的機械強度，最終使得植物呈現接觸形態(tài)建成的表型。

由于植物不能移動，他們對復雜環(huán)境需要更強的適應性。我們對于過往的天氣和環(huán)境是有記憶的，比如某年的冬天特別冷，去過的某個地方溫暖濕潤等，那么植物對于天氣和環(huán)境有沒有“記憶”呢？答案是肯定的，而且植物的這種對天氣和環(huán)境的“記憶”能夠幫助他們更好地適應周圍環(huán)境。在植物生理學研究中，科學家發(fā)現多個與植物 “記憶”有關的有趣現象，例如冬性植物（如冬小麥）的春化，捕蠅草捕食的20秒“記憶”，以及植物的接觸形態(tài)建成。

冬小麥通常在秋季播種，歷經漫長的寒冬之后，在來年的四月至五月收獲。如果誤將冬小麥春季播種，那么即使生長再長的時間，當年也不會開花。除冬小麥外，許多植物也都需要經過冬天才能開花，稱為“冬性植物”。 那么植物是如何保持“過冬的記憶”呢？經過研究，科學家發(fā)現該過程受表觀遺傳調控。冬季的低溫通過染色質修飾，逐漸關閉抑制開花的關鍵基因FLC，而且只有經過足夠長時間的低溫，FLC對開花的抑制作用才能消除，讓植物能在第二年光溫條件適宜時開花。對捕蠅草捕蟲的研究，科學家發(fā)現只有連續(xù)碰觸兩根纖毛，且間隔時間低于20秒，才能觸發(fā)捕蟲器的閉合。如果兩次觸碰纖毛超過20秒，撲蠅草將“忘掉”先前的碰觸，重新計數。研究發(fā)現纖毛被碰觸時，捕蟲器中將產生動作電位，引發(fā)細胞膜上鈣離子通道打開，讓細胞內鈣離子濃度快速上升然后逐漸降低，20秒后恢復到靜息狀態(tài)。如果在20秒內給予第二次碰觸刺激，細胞質中的鈣離子濃度累積并超過觸發(fā)捕蟲器閉合的閾值，引起捕蟲器夾子關閉。

雖然大多數植物是靜止不動的，但有一類植物，例如含羞草和捕蠅草，受到機械碰觸后會迅速做出運動響應，說明這些植物能感受環(huán)境中的機械碰觸。達爾文晚年曾對攀緣植物進行過仔細觀察并著有《攀緣植物的運動和習性》一書。據他觀察，攀緣植物在種子萌發(fā)后，邊生長邊畫圓圈，直到感受到機械力（接觸）后才確定生長方向。后人進一步研究，發(fā)現攀緣植物與附著物接觸的部位生長受到抑制，而未接觸的對側生長更快，因此植物出現螺旋式纏繞生長。在20世紀60年代，科羅拉多州立大學的研究人員為了研究植物如何生長，每天用尺子去測量蒼耳葉子的長度。他們選擇同一片葉子每天測量一次，但是他們逐漸發(fā)現，測量的葉子總是比周圍沒有被測的葉子小得多。隨后，多個研究組發(fā)現，反復多次或者長期的機械碰觸能廣泛抑制植物的生長發(fā)育，并將這種現象定義為“接觸形態(tài)建成”。由于引發(fā)植物“接觸形態(tài)建成”需要較長時間，人們推測植物對機械碰觸的反應很遲緩。然而，1990年，Janet Braam在CELL上發(fā)表文章，報道擬南芥中有一類基因，受到機械碰觸半小時內即迅速上調，表明在分子層面植物對機械碰觸的響應十分迅速。那么，為什么表型變化需要反復碰觸或持續(xù)碰觸很長時間？植物是怎么“記住”先前的碰觸處理直至最終出現表型變化呢？這是植物機械壓力研究領域尚未解決的重要科學問題。

鐘上威實驗室長期致力于研究植物對土壤環(huán)境的適應性，重點關注植物幼苗出土調控的分子機理。為了研究土壤覆蓋所帶來的機械壓力對植物幼苗出土的調控作用，鐘上威實驗室設計了一個頂蓋接觸實驗方法，讓植物幼苗在向上生長中自然觸碰到培養(yǎng)皿頂蓋，來模擬出土幼苗遇到的土壤覆蓋層的機械阻力。利用該系統(tǒng)，他們深入研究了機械碰觸對幼苗生長發(fā)育多層面的調控作用。首先，表型觀察發(fā)現，碰觸頂蓋24小時后，幼苗的下胚軸伸長受到顯著抑制。細胞層面研究發(fā)現，下胚軸細胞縱向伸長被抑制，且下胚軸細胞壁機械硬度增加。植物細胞壁由多種高分子化合物組成，包括纖維素、半纖維素和果膠。其中，果膠形成基質，纖維素和半纖維素埋于其中，果膠分子的狀態(tài)（長短、分枝、與其他分子的結合狀態(tài)等）決定著細胞壁的機械硬度，進而調控植物細胞的生長。檢測果膠的分子量分布，發(fā)現機械碰觸抑制了果膠的裂解作用，使得細胞壁中果膠的平均分子量顯著增加。果膠的水解主要由多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）介導。進一步研究，發(fā)現機械碰觸能抑制一類多聚半乳糖醛酸酶PGX3的基因表達，進而抑制細胞壁中果膠的裂解。更有意思的是，機械觸碰對PGX3的基因表達抑制快速并且可逆：施加機械壓力1小時即可顯著抑制PGX3的基因表達，將機械壓力撤除后，PGX3的表達水平迅速恢復。多聚半乳糖醛酸酶的酶活對于機械壓力的響應與PGX3的表達水平相一致。只有持續(xù)不斷的機械碰觸直至8小時以上，PGX3基因表達水平與多聚半乳糖醛酸酶酶活長時間處于被抑制，植物細胞的伸長才會出現明顯變化。在PGX3上游，研究發(fā)現植物內源激素乙烯起關鍵調控作用。機械碰觸促進乙烯氣體生成，通過乙烯信號通路關鍵轉錄因子EIN3，直接結合進而抑制PGX3的基因表達。因此，PGX3位于EIN3下游，調控細胞壁對機械壓力的響應，提高在機械壓力環(huán)境下細胞壁的硬度，減緩細胞縱向伸長，幫助植物幼苗適應土壤覆蓋所帶來的機械阻力，實現出土存活。

機械碰觸通過激活乙烯信號通路抑制細胞壁果膠裂解，增強細胞壁硬度，抑制生長

通過該研究，我們認識到盡管植物的基因表達能快速響應外界機械碰觸，但當機械碰觸撤去后，基因表達水平會恢復正常，無法引起植物細胞的形態(tài)改變。只有受到反復多次或者長時間的碰觸后，持續(xù)的基因表達抑制使得細胞壁的果膠裂解作用處于長時間的低水平，才能引起果膠分子量的改變，進而增強細胞壁機械硬度，最終重塑細胞壁抑制細胞伸長，使得植物呈現出生長被抑制的“接觸形態(tài)建成”表型。因此，在先前冬性植物的表觀遺傳修飾機制，捕蠅草的鈣離子濃度機制的基礎上，我們對植物“記憶”形成的機制又有了新的認識，即接觸形態(tài)建成的細胞壁重塑機制。

傳統(tǒng)農業(yè)生產中，機械碰觸調控植物生長已經被廣泛使用了數個世紀。農民常在稻田中放養(yǎng)鴨子，通過鴨子對幼苗踩踏，增強水稻幼苗的抗逆能力。農民也常通過用竹竿拍打作物，抑制作物過高生長，提高其抗倒伏能力。該研究首次發(fā)現機械碰觸對植物細胞壁結構的調控作用，闡明了機械碰觸調控幼苗接觸形態(tài)建成的分子機制。該研究所揭示的機械碰觸通過激活內源激素乙烯抑制關鍵功能酶PGX3，調控細胞壁果膠裂解的分子信號傳導通路，在植物學基礎研究和農業(yè)生產中具有重要應用潛力。

鐘上威為該論文通訊作者，吳青青博士為第一作者。首都師范大學施慧教授在該研究中作出了重要貢獻。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃青年專項，國家自然科學基金，以及蛋白質與植物基因研究國家重點實驗室的資助。

來源：北京大學