Journal of Experimental Botany—植物細(xì)胞“品嘗“芥末機(jī)理研究新進(jìn)展
上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院葡萄與葡萄酒研究中心葉文秀助理教授、日本名古屋大學(xué)變革性生命分子研究所（WPI-ITbM）Toshinori Kinoshita教授及岡山大學(xué)環(huán)境生命科學(xué)研究生院Yoshiyuki Murata教授等在植物保衛(wèi)細(xì)胞響應(yīng)芥末的主要辣味成分異硫氰酸烯丙酯（AITC）的機(jī)理研究上取得新進(jìn)展。英國雜志Journal of Experimental Botany于2020年2月27日在線發(fā)表了相關(guān)研究成果。
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研究背景
芥末作為常見的調(diào)味料，具有催淚性的強(qiáng)烈刺激性辣味，對我們的味覺及嗅覺均具有刺激作用。其辣味的主要成分異硫氰酸烯丙酯（AITC）是動物痛覺通路研究的模式信號分子之一，作為一種次級代謝產(chǎn)物廣泛存在于十字花科植物。因具有強(qiáng)烈的刺激性，包括AITC在內(nèi)的異硫氰酸酯一直以來被認(rèn)為是植物驅(qū)逐昆蟲的一類重要化學(xué)武器。有趣的是，異硫氰酸酯也會使植物細(xì)胞自身感覺到“辣“進(jìn)而引起脅迫響應(yīng)，比如誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，而且這些刺激反應(yīng)可能在植物的抗旱及抗微生物脅迫過程中扮演重要角色。因此，異硫氰酸酯的生理作用的研究近年來引起了植物學(xué)家的廣泛關(guān)注。然而目前，我們對植物細(xì)胞如何響應(yīng)異硫氰酸酯的機(jī)理知之甚少。
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成果內(nèi)容
植物氣孔是由一對保衛(wèi)細(xì)胞所圍成的小孔，其張開及關(guān)閉運(yùn)動調(diào)控植物與環(huán)境的氣體交換和植物與微生物的互相作用。因此，氣孔對植物的生長及抗脅迫能力至關(guān)重要。本研究利用模式植物擬南芥保衛(wèi)細(xì)胞作為細(xì)胞模型，通過藥理學(xué)、電生理學(xué)、活細(xì)胞鈣成像等技術(shù)研究了植物對AITC的響應(yīng)機(jī)制（圖）。結(jié)果表明AITC能夠直接激活保衛(wèi)細(xì)胞膜鈣離子通道并誘導(dǎo)胞內(nèi)細(xì)胞器鈣離子的釋放引起細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的震蕩，而這些鈣信號是AITC誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉不可或缺的要素。氣孔關(guān)閉的誘導(dǎo)與氣孔張開的抑制的分子機(jī)制在很長一段時間里被認(rèn)為是類似的。本研究的另一個重要發(fā)現(xiàn)則是揭示了AITC抑制氣孔張開在機(jī)理上有別于其誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，這一抑制過程并不需要AITC誘導(dǎo)的鈣信號通路而是與其抑制細(xì)胞膜鉀離子通道密切相關(guān)。進(jìn)一步的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AITC并不能直接作用于從而抑制保衛(wèi)細(xì)胞的主要鉀離子通道KAT1，而需要通過一種不依賴于鈣信號的識別機(jī)制來實(shí)現(xiàn)這個目的。
研究表明，AITC引起動物感知辣味的感受器TRPA1是一類鈣離子通道。有趣的是，植物基因組里并沒有同源的離子通道基因，這表明動物和植物細(xì)胞對AITC的識別機(jī)制可能大相徑庭。下一步尋找植物細(xì)胞中AITC的感受器的工作將在機(jī)理上解釋不同細(xì)胞是如何感知AITC。
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研究意義
本研究的成果進(jìn)一步揭示了植物細(xì)胞響應(yīng)AITC及其調(diào)控氣孔運(yùn)動的分子機(jī)制，為氣孔運(yùn)動精準(zhǔn)調(diào)控及提高植物抗脅迫能力的技術(shù)開發(fā)提供了新的思路。
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論文信息
論文名：
Inhibition of light-induced stomatal opening by allyl isothiocyanate does not require guard cell cytosolic Ca2+ signalling
? ? ? ?出版雜志：Journal of Experimental Botany
? ? ? ?作者：
Wenxiu Ye, Eigo Ando, Mohammad Saidur Rhaman, Md. Tahjib-Ul-Arif, Eiji Okuma, Yoshimasa Nakamura, Toshinori Kinoshita and Yoshiyuki Murata
D O I ：10.1093/jxb/eraa073
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全文鏈接：https://doi.org/10.1093/jxb/eraa073
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資助基金
本研究得到了國家自然科學(xué)基金（31901984），日本學(xué)術(shù)振興會特別研究員項目（267977）等的資助。
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