重力作为地球上时时刻刻、无处不在的物理环境因子，对植物的生长发育发挥着极其重要的调控作用。植物的根向下生长（正向重力性），有利于植物的固着及对土壤中水分与营养物质的吸收；而植物的茎向上生长（负向重力性），有利于其获得更好的光照条件以及生长空间等。植物的向重力性可分为重力感受、信号传递以及不对称生长三个过程。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在《The Power of Movement in Plants》一书中阐明了种子植物根部感受重力方向的区域是根尖，而后三位科学家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，也是教科书中的经典理论。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，从而实现重力感受的，120年来并不清楚，是长期“未解之谜”。
2023年9月22日，清华大学生命科学学院、北京大学现代农学院、北京大学生命科学学院等单位组成的联合团队（陈浩东研究员为负责人）在《细胞》（Cell）期刊在线发表题为“植物中淀粉体沉降重新极性化LAZYs实现重力感受”（Amyloplast sedimentation repolarizes LAZYs to achieve gravity sensing in plants）的研究论文（Submitted：April 8, 2023）。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（图1）。
图1：植物根尖感受重力的简化模型
以往的研究显示LAZY家族蛋白在多种植物地上及地下部分的向重力性中发挥关键作用。陈浩东团队通过基因编辑将拟南芥中LAZY2、LAZY3、LAZY4同时突变后，lazy234三突变体的根尖呈现出随机方向生长的表型，表明根系失去了向重力性。在遗传回补实验中，将LAZY2、LAZY3或LAZY4分别表达在lazy234中，均可以将根尖回复至向下生长，说明LAZY2、LAZY3和LAZY4在根的向重力性中具有重要功能，且这三个基因的功能具有冗余性。lazy234突变体中重力刺激引起的根尖生长素不对称现象消失，与表型一致。荧光观察与免疫电镜等实验表明这三个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，LAZY可与细胞膜上的磷脂直接结合。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。近期发表在Science上的研究结果也同样发现LAZY/LZY蛋白可以定位在淀粉体上，在重力刺激下LAZY/LZY能够随着淀粉体的沉降重新极性定位到下侧细胞膜上邻近淀粉体的位置（Science 381, 1006-1010; Submitted: April 11, 2023; Online: Aug. 10; Print: Sept. 01）。
进一步，陈浩东团队以LAZY4为代表开展了生化机制研究。研究发现，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。
通过上述研究，陈浩东团队解析了 “淀粉-平衡石”假说的分子机制，提出了植物根系感受重力的模型（图2），具体如下：1）植物竖直生长时，根尖柱细胞中的淀粉体沉降在细胞下侧，LAZY蛋白主要定位于细胞下侧的细胞膜上，并且磷酸化水平较低；2）植物偏离重力方向时，MKK5-MPK3蛋白激酶模块与LAZY蛋白的相互作用增强，提高LAZY蛋白的磷酸化水平；3）磷酸化的LAZY蛋白与淀粉体表面TOC34/120/132蛋白的相互作用增强，促进LAZY蛋白从细胞膜向淀粉体外膜的转移；4）淀粉体沉降引导LAZY蛋白在柱细胞新的下侧聚集，此过程中LAZY蛋白可能在淀粉体与细胞膜之间来回转运，在下侧聚集的LAZY蛋白进而调控生长素的不对称分布和根的弯曲生长；5）植物根尖回到竖直方向时，LAZY蛋白的磷酸化水平与定位也回到初始状态。
图2. 植物根尖感受重力的模型。植物偏离重力方向后，淀粉体的沉降引导LAZY蛋白在根尖柱细胞下侧细胞膜上聚集形成新的极性，进而调控根的向重力性。
该成果为120年前提出的“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。审稿人对该工作给出了非常积极的评价，一位审稿人说：“This innovative gravity sensing mechanism is likely to attract a wide level of interest among not just plant biologists, making the topic suitable for publication in a general journal like Cell.”，另一位审稿人说：“I congratulate the authors for their outstanding work”。
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研究员为论文通讯作者，他在担任北大现代农学院邓兴旺实验室副研究员期间启动了该工作，到清华任职后继续带领团队完成。论文共同一作（第一位）陈家悦为北大现代农学院2017级博士研究生，入学后在邓兴旺实验室陈浩东课题组开展此课题，2020年后跟随陈浩东研究员在清华开展访问研究；论文共同一作（第二位）于仁波为北大生命学院博士后，2017年至2019年在邓兴旺实验室陈浩东课题组开展此课题；论文共同一作（第五位）张欣欣为现代农学院博士后，于2018年至2020年在邓兴旺实验室陈浩东课题组开展此课题；论文共同一作（第六位）赵亚冉为北大生命学院2017级博士研究生，入学后在邓兴旺实验室陈浩东课题组开展此课题，2020年后跟随陈浩东研究员在清华开展访问研究。北大生命学院2013级博士研究生袁艳芳、现代农学院博士后周杨杨、北大生命学院2012级博士研究生李昆仑、北大生命学院2013级博士研究生汪加军、北大生命学院博士后王笑一参与了此项工作。北京大学现代农学院及北京大学现代农业研究院邓兴旺教授为本研究做出了重要贡献。
论文链接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)01035-8