钟上威实验室揭示植物机械碰触“记忆”形成的分子机制

2020年11月27日，国际著名学术期刊《Science Advances》发表了北京大学生命科学学院，蛋白质与植物基因研究国家重点实验室钟上威课题组题为“Touch-induced seedling morphological changes are determined by ethylene-regulated pectin degradation”的研究论文。该研究发现植物细胞壁中的果胶结构能受到机械触碰的动态可逆调节，反复多次或长时间的碰触将逐渐改变细胞壁的机械强度，最终使得植物呈现接触形态建成的表型。

由于植物不能移动，他们对复杂环境需要更强的适应性。我们对于过往的天气和环境是有记忆的，比如某年的冬天特别冷，去过的某个地方温暖湿润等，那么植物对于天气和环境有没有“记忆”呢？答案是肯定的，而且植物的这种对天气和环境的“记忆”能够帮助他们更好地适应周围环境。在植物生理学研究中，科学家发现多个与植物 “记忆”有关的有趣现象，例如冬性植物（如冬小麦）的春化，捕蝇草捕食的20秒“记忆”，以及植物的接触形态建成。

冬小麦通常在秋季播种，历经漫长的寒冬之后，在来年的四月至五月收获。如果误将冬小麦春季播种，那么即使生长再长的时间，当年也不会开花。除冬小麦外，许多植物也都需要经过冬天才能开花，称为“冬性植物”。 那么植物是如何保持“过冬的记忆”呢？经过研究，科学家发现该过程受表观遗传调控。冬季的低温通过染色质修饰，逐渐关闭抑制开花的关键基因FLC，而且只有经过足够长时间的低温，FLC对开花的抑制作用才能消除，让植物能在第二年光温条件适宜时开花。对捕蝇草捕虫的研究，科学家发现只有连续碰触两根纤毛，且间隔时间低于20秒，才能触发捕虫器的闭合。如果两次触碰纤毛超过20秒，扑蝇草将“忘掉”先前的碰触，重新计数。研究发现纤毛被碰触时，捕虫器中将产生动作电位，引发细胞膜上钙离子通道打开，让细胞内钙离子浓度快速上升然后逐渐降低，20秒后恢复到静息状态。如果在20秒内给予第二次碰触刺激，细胞质中的钙离子浓度累积并超过触发捕虫器闭合的阈值，引起捕虫器夹子关闭。

虽然大多数植物是静止不动的，但有一类植物，例如含羞草和捕蝇草，受到机械碰触后会迅速做出运动响应，说明这些植物能感受环境中的机械碰触。达尔文晚年曾对攀缘植物进行过仔细观察并著有《攀缘植物的运动和习性》一书。据他观察，攀缘植物在种子萌发后，边生长边画圆圈，直到感受到机械力（接触）后才确定生长方向。后人进一步研究，发现攀缘植物与付着物接触的部位生长受到抑制，而未接触的对侧生长更快，因此植物出现螺旋式缠绕生长。在20世纪60年代，科罗拉多州立大学的研究人员为了研究植物如何生长，每天用尺子去测量苍耳叶子的长度。他们选择同一片叶子每天测量一次，但是他们逐渐发现，测量的叶子总是比周围没有被测的叶子小得多。随后，多个研究组发现，反复多次或者长期的机械碰触能广泛抑制植物的生长发育，并将这种现象定义为“接触形态建成”。由于引发植物“接触形态建成”需要较长时间，人们推测植物对机械碰触的反应很迟缓。然而，1990年，Janet Braam在CELL上发表文章，报道拟南芥中有一类基因，受到机械碰触半小时内即迅速上调，表明在分子层面植物对机械碰触的响应十分迅速。那么，为什么表型变化需要反复碰触或持续碰触很长时间？植物是怎么“记住”先前的碰触处理直至最终出现表型变化呢？这是植物机械压力研究领域尚未解决的重要科学问题。

钟上威实验室长期致力于研究植物对土壤环境的适应性，重点关注植物幼苗出土调控的分子机理。为了研究土壤覆盖所带来的机械压力对植物幼苗出土的调控作用，钟上威实验室设计了一个顶盖接触实验方法，让植物幼苗在向上生长中自然触碰到到培养皿顶盖，来模拟出土幼苗遇到的土壤覆盖层的机械阻力。利用该系统，他们深入研究了机械碰触对幼苗生长发育多层面的调控作用。首先，表型观察发现，碰触顶盖24小时后，幼苗的下胚轴伸长受到显著抑制。细胞层面研究发现，下胚轴细胞纵向伸长被抑制，且下胚轴细胞壁机械硬度增加。植物细胞壁由多种高分子化合物组成，包括纤维素、半纤维素和果胶。其中，果胶形成基质，纤维素和半纤维素埋于其中，果胶分子的状态（长短、分枝、与其他分子的结合状态等）决定着细胞壁的机械硬度，进而调控植物细胞的生长。检测果胶的分子量分布，发现机械碰触抑制了果胶的裂解作用，使得细胞壁中果胶的平均分子量显著增加。果胶的水解主要由多聚半乳糖醛酸酶（polygalacturonase，PG）介导。进一步研究，发现机械碰触能抑制一类多聚半乳糖醛酸酶PGX3的基因表达，进而抑制细胞壁中果胶的裂解。更有意思的是，机械触碰对PGX3的基因表达抑制快速并且可逆：施加机械压力1小时即可显著抑制PGX3的基因表达，将机械压力撤除后，PGX3的表达水平迅速恢复。多聚半乳糖醛酸酶的酶活对于机械压力的响应与PGX3的表达水平相一致。只有持续不断的机械碰触直至8小时以上，PGX3基因表达水平与多聚半乳糖醛酸酶酶活长时间处于被抑制，植物细胞的伸长才会出现明显变化。在PGX3上游，研究发现植物内源激素乙烯起关键调控作用。机械碰触促进乙烯气体生成，通过乙烯信号通路关键转录因子EIN3，直接结合进而抑制PGX3的基因表达。因此，PGX3位于EIN3下游，调控细胞壁对机械压力的响应，提高在机械压力环境下细胞壁的硬度，减缓细胞纵向伸长，帮助植物幼苗适应土壤覆盖所带来的机械阻力，实现出土存活。

机械碰触通过激活乙烯信号通路抑制细胞壁果胶裂解，增强细胞壁硬度，抑制生长

通过该研究，我们认识到尽管植物的基因表达能快速响应外界机械碰触，但当机械碰触撤去后，基因表达水平会恢复正常，无法引起植物细胞的形态改变。只有受到反复多次或者长时间的碰触后，持续的基因表达抑制使得细胞壁的果胶裂解作用处于长时间的低水平，才能引起果胶分子量的改变，进而增强细胞壁机械硬度，最终重塑细胞壁抑制细胞伸长，使得植物呈现出生长被抑制的“接触形态建成”表型。因此，在先前冬性植物的表观遗传修饰机制，捕蝇草的钙离子浓度机制的基础上，我们对植物“记忆”形成的机制又有了新的认识，即接触形态建成的细胞壁重塑机制。

传统农业生产中，机械碰触调控植物生长已经被广泛使用了数个世纪。农民常在稻田中放养鸭子，通过鸭子对幼苗踩踏，增强水稻幼苗的抗逆能力。农民也常通过用竹竿拍打作物，抑制作物过高生长，提高其抗倒伏能力。该研究首次发现机械碰触对植物细胞壁结构的调控作用，阐明了机械碰触调控幼苗接触形态建成的分子机制。该研究所揭示的机械碰触通过激活内源激素乙烯抑制关键功能酶PGX3，调控细胞壁果胶裂解的分子信号传导通路，在植物学基础研究和农业生产中具有重要应用潜力。

北京大学生命科学院钟上威研究员为该论文通讯作者，吴青青博士为第一作者。首都师范大学施慧教授在该研究中作出了重要贡献。该研究工作得到了国家重点研发计划青年专项，国家自然科学基金，以及蛋白质与植物基因研究国家重点实验室的资助。

原文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/48/eabc9294