上海交通大学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学术资讯

近日，植物学领域传统前沿期刊New Phytologist （影响因子7.3）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，并将液泡形态、激素信号和发育过程紧密联系起来。林文慧研究组的博士研究生姜雨彤为第一作者，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。

液泡是成熟植物细胞中的大型细胞器，主要功能主要是调节细胞渗透压，平衡细胞内水分和酸度，贮存养料及多种代谢产物，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，液泡膜质子泵如何调控植物生长发育目前所知甚少。该研究鉴定了一个同时缺失两类质子泵的新突变体株系，观察发现其幼苗出现子叶形态建成异常表型，但单独缺失任何一类质子泵均不能造成突变体形态建成的异常表型，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，突变体的胚胎从合子第一次分裂起就产生异常。大量细致观察发现，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。

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，发现突变体的胚胎和幼苗中的PIN1蛋白含量下降，定位异常；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，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，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，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。深入研究还发现突变体根细胞和液泡均比野生型对照小，液泡形态异常，液泡内液的相对pH值比野生型高，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。