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BEBC研究人员在植物表皮毛力学生物学领域取得进展

2021-07-29 17:15:23      点击:

近些年,随着分子生物学的飞速发展,科学家构建了大量的植物突变体,而很多基因的突变不仅影响了植物的重要生理学过程,对植物的生物物理行为也有较大的影响。作为植物分子生物学的模式植物,拟南芥被广泛的用于植物基因的研究,其表皮毛可作为有效的力学感应开关,将所受到的力学刺激转换为生理信号,并激活下游反应,如表皮毛基底细胞内的钙离子震荡和pH值变化。到目前为止,已发现有40多种不同基因具有调控表皮毛形态发生的功能,然而,这些基因的突变对拟南芥表皮毛力学感应功能是否存在影响尚不可知。




西安交通大学BEBC研究人员结合之前研究发现,野生型拟南芥表皮毛细胞壁的杨氏模量从表皮毛的分支到基底处逐渐降低,这种梯度递减的趋势有助于表皮毛在基底处发生屈曲形变,进而将所收到的力学信号转换为生理信号。基因EXO70H4是表皮毛成熟过程中上调很为明显的一个基因,其突变会影响表皮毛细胞壁的形成,据报道,基因EXO70H4在黄瓜表面的表皮毛中也高表达,该基因所编码的蛋白为exocyst复合体的亚基,属于真核生物中进化较为保守的蛋白复合物之一,对细胞壁的成熟具有关键作用。


通过对突变体EXO70H4表皮毛的观察,借助扫描电子显微镜,研究人员发现通过相同条件的冻干处理,野生型表皮毛形态保持良好,结构坚挺,而突变体的表皮毛则出现了不同程度的弯曲,说明其结构硬度受损。通过光学显微镜观察其表皮毛厚度,与野生型相比,突变体表皮毛的细胞壁厚度明显变薄。



借助纳米压痕仪,对野生型和突变体表皮毛的杨氏模量进行测量后发现,突变体EXO70H4表皮毛的杨氏模量与野生型相比,整体显著减小,且不再存在规则的梯度变化,因此研究人员推测,突变体表皮毛在受到力学刺激后,难以在基底处发生屈曲形变,进而将力学刺激信号转变为生理信号,影响力学信号的传递。



为了验证上述推测,研究人员借助有限元模拟,将表皮毛的结构特征输入到模型中,构建出了野生型及突变体的表皮毛结构,通过在表皮毛分支处施加一定的法向力,研究人员发现,在野生型表皮毛的基底处发生了明显的应力集中,同时还有显著的屈曲形变;而对于突变体表皮毛来说,应力集中并未出现在表皮毛的基底处,而是出现在了三个分支的连接处,这就导致所受到的力学应力无法传递给表皮毛基底细胞,也无法转换为生理信号,直接影响了表皮毛的力学传感器性能。该研究结果首次从生物力学的角度探索基因突变对植物力学行为的影响,可为农业抗虫抗害等相关研究提供思路。



西安交通大学BEBC博士、河南中医药大学A类仲景青年学者刘含教授为本研究的第一作者,西安交通大学BEBC徐峰教授为本文的通讯作者,南京航空航天大学刘少宝副研究员、武汉大学黄国友副教授也为本研究做出了重要贡献。相关研究以“Effect of Gene Mutation of Plant on Their Mechano-Sensibility: Mutant of EXO70H4 Influences the Buckling of Arabidopsis Trichomes”为题发表在Analyst上,该工作得到国家自然科学基金等项目的资助。


原文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/an/d1an00682g/unauth#!divAbstract