捕蝇草触觉感知新机制：MSL10作为高灵敏度机械感受器驱动钙信号与动作电位传播

《Nature Communications》：MSL10 is a high-sensitivity mechanosensor in the tactile sense of the Venus flytrap

本刊推荐：为揭示植物触觉感知的分子机制，研究人员以捕蝇草（Dionaea muscipula）为模型，聚焦其感觉毛中富含的机械敏感通道DmMSL10。通过双光子显微镜实时钙成像与细胞内电位同步记录技术，发现其采用"机械感知-信号触发"两步式响应系统：DmMSL10通过介导受体电位（RP）的幅度生成，决定动作电位（AP）的触发阈值，从而调控长距离钙信号传播。该研究不仅阐明植物感知微牛顿级机械刺激的分子基础，更为生物机械传感机制进化研究提供新范式。

　　

在自然界中，植物虽然看似静止，却时刻应对着风、雨、昆虫啃食等机械刺激。特别是食虫植物捕蝇草，其精妙的捕虫机制令人惊叹——当昆虫触碰感觉毛时，叶片能在秒级时间内迅速闭合。这种神奇的触觉感知背后，隐藏着怎样的分子开关？尽管已知机械敏感通道（Mechanosensitive Channel）可能参与此过程，但植物如何将微小机械力转化为电信号与钙信号（Ca²⁺）的分子通路仍是一片迷雾。

近日发表于《Nature Communications》的研究解开了这一谜题。研究团队发现捕蝇草的MECHANOSENSITE CHANNEL OF SMALL CONDUCTANCE-LIKE 10（DmMSL10/FLYC1）作为高灵敏度机械感受器，通过调控受体电位（Receptor Potential, RP）幅度，成为触发长距离信号传导的"分子扳机"。该研究不仅首次在单细胞水平解析植物触觉感知的两步式响应机制，更通过构建微生态系统直接验证了该通道在昆虫捕食中的关键作用。

关键技术方法包括：利用双光子显微镜对感觉毛基底凹陷区细胞进行高时空分辨率钙成像（226.55帧/秒）；建立细胞内电位与钙信号同步记录系统；通过CRISPR-Cas9技术构建DmMSL10敲除株系（dmmsl10）；开发基于指数修正高斯函数的信号动力学分析程序；创建包含日本铺道蚁（Tetramorium tsushimae）的微生态系统模拟自然捕食场景。

两步式钙信号传播

通过GCaMP6f钙指示蛋白实时成像发现，感觉毛的机械刺激响应存在明显阈值效应：弱刺激（偏转角度0.0715弧度，速度0.595弧度/秒）仅引发凹陷细胞（Indented Cell）局部钙信号，而强刺激（偏转角度0.157弧度，速度3.91弧度/秒）则触发信号向叶片的长距离传播。

高分辨率成像显示，小幅度偏转（0.009弧度）时钙信号始于拉伸侧凹陷细胞中心并向相邻细胞传播；大幅度偏转（0.02弧度）时信号进一步扩散至两个细胞以外的周边细胞，表明机械感知存在细胞特异性分级响应。

凹陷细胞启动信号传导

激光烧蚀实验证实凹陷细胞的核心地位：当拉伸侧凹陷细胞被破坏后，机械刺激无法引发长距离钙信号，而从对侧刺激同一感觉毛仍可触发响应。

高速成像（226.55帧/秒）捕捉到信号从凹陷细胞基底侧相邻细胞开始，经中央细胞向顶端传播的动态过程，提示凹陷细胞末端是长距离信号的起源点。

钙信号与动作电位协同传播

同步记录系统揭示信号传导时序：机械刺激首先引发凹陷细胞局部钙信号，继而产生小幅度电位变化（RP），当RP超过阈值时触发幅度达150.20±10.10 mV的动作电位（AP），最终启动长距离钙信号传播。逻辑回归分析确定RP触发AP的电压阈值区间（14.72-19.26 mV），其幅度与局部钙信号强度显著正相关（r=0.7136），而AP幅度与钙信号无相关性，证实RP-AP系统与动物神经细胞的兴奋性调控机制类似。

DmMSL10是高频敏机械传感器

氯通道阻断剂Anthracene-9-carboxylic acid（A-9-C）处理可完全抑制AP和长距离钙信号。dmmsl10突变体研究表明：在低强度刺激（≤0.1弧度/秒）下，突变体的AP触发率显著降低，RP幅度（dmmsl10#1: 7.42±3.75 mV; dmmsl10#2: 5.72±0.60 mV）低于野生型的AP触发阈值。

尽管突变体仍能响应高强度刺激（如快速大偏转或细胞损伤），但DmMSL10在感知微弱机械刺激中起主导作用。

昆虫捕食行为的生态学验证

通过构建包含20只日本铺道蚁的微生态系统，发现dmmsl10突变体的钙信号触发概率降低18.5%，叶片闭合趋势下降13.3%。

连续3小时观察显示，蚂蚁多次触碰突变体感觉毛均未引发有效信号传导，证实DmMSL10是捕蝇草自然环境中探测昆虫微牛顿级机械刺激的关键分子。

研究最终提出机械信号传导模型：

（1）机械刺激激活DmMSL10等通道，引发凹陷细胞RP和钙信号；（2）RP超阈值后触发AP；（3）AP与钙信号协同传播至叶片；（4）连续两次信号传导最终诱发叶片运动。该研究通过创新技术平台首次可视化植物将物理刺激转化为生物信号的瞬间，为理解生物机械传感机制的进化提供了新视角，同时证明MSL家族蛋白在跨物种机械感知中的核心地位。