Science报道：发现动物和植物细胞的又一处不同

在动物,存在于细胞膜表面的PIEZO离子通道感知机械压力。新的研究表明,在植物细胞中,这些机械感觉蛋白位于液泡膜,扮演维护细胞肿胀和pH值和隔离有害物质的重要角色。作者认为，在植物细胞中液泡的膜比质膜有更多的运动自由，因此是蛋白质感知机械力的更好位置。

　　

你可能期望机械压力传感器位于细胞的表面。在动物细胞中确实是这样，被称为PIEZOs的离子通道嵌在细胞膜中，有助于感知触觉和压力。机械感应离子通道，如PIEZOs，通过打开并允许离子流过膜来帮助测量压力。

在人类中，PIEZO通道对生命至关重要。它们有助于感知轻触、剪切力和压缩力。PIEZO通道功能障碍与多种遗传性人类疾病有关，如肌肉萎缩、新生儿呼吸窘迫、淋巴结异常、脊柱侧弯和贫血。

生物学家现在已经发现了植物中PIEZO通道的不同位置和功能模式。在发表在《Science》杂志上的一篇题为“Plant PIEZO homologs modulate vacuole morphology during tip growth”的文章中，作者表明，在植物中，PIEZO通道出人意料地退隐到细胞内部，在苔藓和开花植物的花粉管的生长顶端。

PIEZO通道于2010年首次在植物基因组中被发现。这项新研究聚焦于植物细胞，并探索了它们与动物细胞的区别。

在植物细胞的深处，PIEZO存在于液泡的膜中，大型细胞器有助于维持细胞膨胀、隔离有害物质、维持pH值并发挥其他重要作用。

研究人员开发了PIEZOs失去功能、功能亢进或过度表达的突变苔藓，以表明在苔藓中PIEZOs在增加液泡膜(称为液泡质体)的复杂性方面发挥作用。科学家们发现了两个PIEZO通道(PpPIEZO1和PpPIEZO2），它们有助于生长顶端细胞的正常生长、大小和钙水平。

“植物中的PIEZO在调节液泡的形状和膜的数量方面起着重要和关键的作用，”华盛顿大学-圣路易斯艺术与科学生物学教授Elizabeth Haswell博士说，她是这项研究的资深作者。“这是PIEZO通道参与调控细胞器形态的第一个例子。我们提供的数据可能会为植物和动物的压电同源物带来新的研究方向。”

研究人员最初的发现是利用植物生长顶端的细胞，即“小立碗藓”(Physcomitrium patens)。但他们将他们的发现扩展到其他远亲植物的细胞，包括经典开花植物模型——拟南芥的花粉管。

“苔藓是苔藓植物的组成部分之一，苔藓是第二大陆地植物谱系，”Haswell实验室的研究科学家、论文第一作者Ivan Radin博士说。“当我们能证明苔藓和开花植物都发生了同样的事情，就像我们在这里做的那样，最有可能的结论是，这个过程是祖先的——它至少和陆生植物一样古老。”

作者提出，在植物细胞中，液泡的膜比“贴在坚硬细胞壁上”的质膜有更多的运动自由。因此，机械感蛋白在液泡膜中的位置使得它们更有效地感知机械力。

作为这项研究的下一步，Haswell实验室的科学家们正在进行实验，以揭示外力和内力如何影响苔藓细胞中的PIEZO通道，找出这些重要通道在植物细胞液泡中的功能，并探索这些通道在藻类中的进化。

Haswell说:“在植物中，压电通道很可能是由膜张力控制的，就像在动物中一样。我们正在研究PIEZO通道激活如何导致膜的细化和它是如何被调控的。我们想知道这种定位是如何进化的，以及它在其他细胞类型中的作用。我们计划在整个绿色谱系中，与动物通道和生物体的结构和功能进行比较和对比。”