上海交大林文慧研究组发现液泡膜质子泵调控拟南芥胚发育的新功能

来源：BioArt植物

液泡是成熟植物细胞中的大型细胞器，由液泡膜与其内部的细胞液组成。已知液泡的功能主要是调节细胞渗透压，维持胞质的水分和pH值平衡，积累和贮存养料及多种代谢产物，降解细胞内的有害物质。液泡还能降解吞噬进液泡的衰老细胞器；并参与植物对微生物入侵的响应和抵抗。液泡膜具有特殊的选择透性，是液泡行使功能的基础。液泡膜上有两类质子泵：焦磷酸酶（V-PPase）和ATP酶（V-ATPase），共同调控离子跨液泡膜运输，并影响液泡形态以及液泡内液的pH值。拟南芥的V-PPase是单基因编码蛋白AVP1；V-ATPase是多亚基蛋白复合体，定位在液泡膜上的功能亚基是VHA a2和VHA a3。AVP1的缺失突变体在生长发育过程中没有明显的异常，但影响植物的离子响应。VHA a2和VHA a3的双突变体具有生长缓慢、发育延迟、器官变小、育性下降等表型。令人惊讶的是，同时缺失两类质子泵的三突变体仍能存活，其表型比VHAs双突变体更为严重。但液泡膜质子泵如何调控植物生长发育目前所知甚少。

近日，New Phytologist 杂志在线发表了上海交通大学林文慧研究组题为Two Tonoplast Proton Pumps Function in Arabidopsis Embryo Development的研究论文，报道了拟南芥液泡膜质子泵通过影响胚胎细胞液泡形态以及生长素信号调控胚发育以及形态建成的新功能。

该研究鉴定了一个同时缺失AVP1、VHA a2和VHA a3的新突变体株系avp1 vha a2 vha a3（vap3），观察发现其幼苗出现杯状子叶、融合子叶、三子叶等子叶形态建成异常表型，在以往研究中未曾报道。通过重建VHA a2和VHA a3的双突变体vha2以及同时缺失AVP1、VHA a2和VHA a3的另一个独立三突变体株系fugu5-1 vha a2 vha a3（fap3），该进一步确认只有同时缺失两类质子泵的三突变体才会出现大量子叶形态建成异常的表型（超过90%），而双突变体vha2仅有低于百分之一的子叶有轻微的形态建成异常，说明两类质子泵共同影响子叶形态建成。胚胎发育过程的详细观察发现，vap3和fap3三突变体的胚胎从第一次分裂起就产生异常。野生型对照的合子第一次不对称分裂产生一个小而圆的顶细胞以及一个大而长的基细胞；但三突变体的合子第一次分裂产生两个大小和形状都相似的细胞。进一步观察发现，野生型对照的顶细胞中不含有肉眼可见的液泡，基细胞中含有一个大液泡；而三突变体的顶细胞含有较野生型大的清晰可见的液泡，且基细胞中含有数个较野生型小的液泡。大量观察发现，从一细胞胚开始到十六细胞胚，三突变体的胚胎和胚柄细胞中的液泡形态持续异常；从一细胞胚到子叶胚，三突变体的胚胎细胞分裂和形态建成严重异常。液泡形态和胚胎发育的异常紧密联系，暗示液泡膜质子泵可能通过影响液泡形态调控胚胎发育和模式建成。

图1 同时缺失两类质子泵的三突变体幼苗和胚胎形态建成异常。

三突变体的球形胚无法形成对称的子叶原基突起，暗示同时缺失两类质子泵可能影响生长素的极性运输和分布。该研究检测了突变体幼苗对生长素信号的响应，发现三突变体对重力不敏感、对外源生长素和生长素极性运输抑制剂处理也不敏感，推测三突变体生长素信号异常。将标记生长素极性运输的PIN1-EYFP和标记生长素积累和分布的DR5-GUS引入质子泵相关突变体中，发现三突变体的胚胎和幼苗中的PIN1蛋白含量下降，定位异常；三突变体的胚胎和幼苗中生长素的积累和分布异常。进一步实验证明，三突变体中PIN1的蛋白水平和生长素的含量都明显下降。BFA处理实验发现，三突变体中PIN1蛋白对BFA不敏感，无法像野生型对照一样形成BFA小体。以上结果表明同时缺失两类质子泵导致三突变体生长素信号异常，这种异常可能是由于质子泵缺失破坏PIN1的细胞内运输造成的。原生质体和液泡提取实验证实三突变体的细胞和液泡均比野生型对照小。BECEF染色实验证实三突变体中液泡形态异常，并且液泡内液的相对pH值比野生型高，以上结果表明同时缺失两类质子泵影响了细胞大小以及液泡形态、大小和酸化。综上所述，液泡膜质子泵可能通过调控液泡形态和生长素信号两个途径影响拟南芥的胚胎和幼苗形态建成。

本研究提出了液泡膜质子泵调控液泡形态、影响胚胎细胞分裂和模式建成的新功能，并将液泡形态、激素信号和发育过程紧密联系起来。

图2 液泡膜质子泵通过调控生长素信号影响胚胎形态建成。

上海交通大学林文慧团队的博士研究生姜雨彤为本论文的第一作者，林文慧研究员为通讯作者，美国加州大学伯克利分校栾升教授为共同通讯作者。美国加州大学伯克利分校的唐仁杰博士、上海交通大学的张燕洁博士、日本东京学艺大学的Ali Ferjani副教授、以及上海交通大学的薛红卫教授参与了本论文的研究工作。此项工作得到了国家自然科学基金委、国家留学基金委、以及中国科学院植物分子遗传国家重点实验室的项目资助。

原文链接：

https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.16231