文章题目： Amyloplast sedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants
期刊：Cell
发表时间：2023年9月22日
主要内容：清华大学生命科学学院、清华-北大生命科学联合中心陈浩东团队在Cell期刊在线发表了文章Amyloplast sedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants，该论文解析了“淀粉-平衡石”假说的分子机制，其核心是植物偏离重力方向后，淀粉体可通过其表面的TOC蛋白携带LAZY蛋白一起沉降，并引导LAZY蛋白沿着重力方向在细胞膜上形成新的极性分布，进而调控植物的向重力性生长。
原文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01035-8
使用TransGen产品：
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研究背景
重力对植物的生长发育发挥着极其重要的调控作用，根的向下生长和茎的向上生长称为植物的向重力性，又可分为重力感受、信号传递以及不对称生长三个过程。其中重力感受可进一步划分为两个阶段，首先是对重力这一矢量物理信息的感知，其次是将接收到的物理信号转变为生理生化信号。
1880年，Charles Darwin指出种子植物根部感受重力方向的区域是根尖，而后Bohumil Nemec, Gottlieb Haberlandt与Francis Darwin在1900至1903年提出了植物感受重力的“淀粉-平衡石”假说，该假说认为植物相对于重力矢量的方向改变后，平衡石细胞（根尖柱细胞和茎内皮层细胞）内的淀粉体（含有淀粉的质体）会沉降到这些细胞新的底部，启动重力信号的传递。后续研究发现重力信号传递后引起根或茎中生长素的不对称分布，进而调控了它们的弯曲生长。“淀粉-平衡石”假说是最被广泛接受的重力感受理论。然而淀粉体沉降这个物理过程是如何转变为植物体内的生理生化信号，从而实现重力感受，一直是科学界的未解之谜。
文章概述
陈浩东团队首先通过对拟南芥进行基因编辑和遗传回补实验，发现LAZY家族蛋白的LAZY2、LAZY3和LAZY4基因的功能具有冗余性，其次通过荧光观察与免疫电镜等实验发现这三个LAZY蛋白主要定位在拟南芥根尖柱细胞的细胞膜和淀粉体膜上。进一步的实验发现当植物偏离重力方向后，淀粉体在柱细胞中沿着重力方向沉降至细胞新的下侧。沉降过程中，靠近淀粉体的细胞膜上出现聚集的LAZY-GFP荧光信号，淀粉体沉降到底部后，底部细胞膜上的荧光显著增强。淀粉缺失会导致质体沉降变慢，LAZY的重新极性化相应变慢，植物的向重力性变差。荧光漂白恢复实验表明LAZY蛋白可以从淀粉体表面转移至邻近的细胞膜上。这些数据表明淀粉体沉降可帮助LAZY蛋白在柱细胞膜上形成沿重力方向的新极性，进而调控植物的向重力性。
随后，陈浩东团队以LAZY4为代表开展了生化机制研究，他们发现植物改变相对于重力的方向后，LAZY4与蛋白激酶MPK3和MKK5的相互作用短时间内快速增强，当根尖恢复至竖直向下生长时互作减弱；在此过程中，LAZY4的磷酸化水平相应地先增强再减弱。MPK3/6 表达量降低或LAZY4上磷酸化位点的失活突变，均会导致LAZY4的淀粉体定位、重力刺激后LAZY4极性形成受到削弱，植物的向重力性变差。酵母双杂交实验中，模拟磷酸化的LAZY4可以与TOC复合体的组分TOC34、TOC120、TOC132相互作用，而正常形式的LAZY4和这些TOC蛋白无明显互作。将TOC120与TOC132基因同时突变后，LAZY4蛋白的淀粉体定位及重力刺激引起的LAZY4细胞膜极性定位均显著减弱，突变体根的向重力性也显著减弱。这些结果表明TOC蛋白可通过与磷酸化LAZY4蛋白的互作，调控其在柱细胞中的极性分布，进而调控植物的向重力性。
综上，陈浩东团队推出了植物根系感受重力的模型，为“淀粉-平衡石”假说提供了分子解释，揭示了植物感受重力的分子机制，是植物信号转导领域的重大突破。LAZY与TOC两类蛋白均在不同植物中广泛存在，该研究揭示的重力感受机制很可能具有普适性。细胞器的运动与极性的形成都是很普遍的生物学现象，该工作揭示的细胞器运动直接调控蛋白新极性形成的机理，对其它极性相关研究也具有启示意义。
植物根尖感受重力的模型
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使用Trans5a Chemically Competent Cell (CD201)产品发表的部分文章：
• Li X, Zhang Y, Xu L, et al. Ultrasensitive sensors reveal the spatiotemporal landscape of lactate metabolism in physiology and disease[J]. Cell Metabolism, 2023.
• Ma M, Shen S Y, Bai C, et al. Control of grain size in rice by TGW3 phosphorylation of OsIAA10 through potentiation of OsIAA10-OsARF4-mediated auxin signaling [J].Cell Reports, 2023.
• Wang T, Wang Y, Chen P, et al. An Ultrasensitive, One-Pot RNA Detection Method Based on Rationally Engineered Cas9 Nickase-Assisted Isothermal Amplification Reaction[J]. Analytical Chemistry, 2022.
• Zhong S J, Ding W Y, Sun L, et al. Decoding the development of the human hippocampus[J]. Nature, 2020.
• Zhong S J, Zhang S, Fan X Y, et al. A single-cell RNA-seq survey of the developmental landscape of the human prefrontal cortex[J]. Nature, 2018.
• Han Y M, Liu Q Y, Hou J, et al. Tumor-Induced Generation of Splenic Erythroblast-like Ter-Cells Promotes Tumor Progression[J]. Cell, 2018.
• Xu X Q, Xu J, Wu J C, et al. Phosphorylation-Mediated IFN-γR2 Membrane Translocation Is Required to Activate Macrophage Innate Response[J]. Cell, 2018.
使用Transetta(DE3) Chemically Competent Cell (CD801)产品发表的部分文章：
• Wang C L, Wang J, Lu J Y, et al. A natural gene drive system confers reproductive isolation in rice[J]. Cell, 2023.
• Qi Y, Ding Li, Zhang S W, et al. A plant immune protein enables broad antitumor response by rescuing microRNA deficiency[J]. Cell, 2022.
• Wu M, Xu G, Han C, et al. lncRNA SLERT controls phase separation of FC/DFCs to facilitate Pol I transcription[J]. Science, 2021.
• Yao H P, Song Y T, Chen Y, et al. Molecular architecture of the SARS-CoV-2 virus[J]. Cell, 2020.
• Wang L, Wang B, Yu H, et al. Transcriptional regulation of strigolactone signalling in Arabidopsis[J]. Nature, 2020.
• Guo C J, Ma X K, Xing Y H, et al. Distinct processing of lncRNAs contributes to non-conserved functions in stem cells[J]. Cell, 2020.
• Liu C X, Li X, Nan F, et al. Structure and degradation of circular RNAs regulate PKR activation in innate immunity[J]. Cell, 2019.
• Xue J H, Chen G D, Hao F H, et al. A vitamin-C-derived DNA modification catalysed by an algal TET homologue[J]. Nature, 2019.
