中国科学院植物研究所乐捷研究组揭示植物微丝细胞骨架相关蛋白ARP3参与重力响应机制

重力是重要的地球环境因素之一，植物在长期的进化中形成了特有的重力感知和响应机制来调控植物发育和形态建成（如根的向地性生长和地上部的背地性直立生长），保障了植物可以有效地利用营养、水分和光能。已有较多的研究结果表明，微丝细胞骨架在植物响应重力变化中起到重要作用；但是由于以往研究中所用的微丝抑制剂、研究材料、植物器官的不同，至今仍没有明确的有关微丝细胞骨架如何参与植物重力响应的精细机制。根据“淀粉体-平衡石”假说，植物感重细胞（如根尖小柱细胞和茎内皮层细胞）内的淀粉体在感知重力变化后发生沉降，可迅速将物理信号转化为生物化学信号。由于感重细胞内存在着复杂的亚细胞结构（如细胞骨架和内膜系统等），造成了淀粉体运动复杂的力学特性。

中国科学院植物研究所乐捷研究组应用流体力学微流变方法分析了拟南芥根尖感重细胞内淀粉体的运动特性，用此方法对植物根的重力研究之前未见报道。研究人员发现，在重力刺激（旋转90°）下野生型感重细胞内的淀粉体运动具有明显的“牢笼-逃逸（cage-escape）”和协同运动的力学效应。在ARP2/3微丝相关蛋白复合体突变体（dis1-1，dis2-1）的根尖感重细胞中，由于淀粉体被异常形成的粗微丝束所束缚和分离，缺少明显的淀粉体“牢笼-逃逸”和协同运动；而微丝解聚剂（Latrunculin B）预处理可以显著地打破微丝突变体中存在的淀粉体运动的“牢笼”效应。进一步的研究结果表明，ARP3/DIS1亚基不仅参与感重细胞内的重力感知，还参与了重要的重力信号——生长素的胞间传递。在dis1-1突变体中，多个生长素运输载体PIN家族蛋白（PIN2、PIN3、PIN7）在胞内的运转发生异常，影响了生长素在根上、下两侧细胞内不对称分布的迅速建立，造成根的向地弯曲生长延迟。

该研究揭示了微丝细胞骨架在植物重力感知、信号传递中的功能，对于进一步揭示植物发育和形态建成的调控机制，以及改良作物株型、抗倒伏等农艺性状提供了新的研究方法和理论依据。该研究结果于2016年7月29日在线发表在Journal of Experimental Botany期刊，相关研究结果于2015年发表在Molecular Plant期刊。