Nature Plants | 德国马普研究所揭示拟南芥细胞响应机械应力机制

机械应力(mechanical stress)是指物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力。生物体从分子层面到整个生物体层面都承受着机械应力。整合素是哺乳动物细胞膜上的一类跨膜蛋白，充当细胞外基质成分和细胞内肌动蛋白细胞骨架的分子纽带，促进机械信号的传递。目前的研究表明，植物细胞中的微管细胞骨架倾向于在细胞承受较大机械应力的区域排列。纤维素合酶复合体（cellulose synthase complexes，CSCs）合成纤维素微纤丝加强细胞壁硬度，而微管细胞骨架可以影响CSCs位置转移。然而在植物细胞中，对于细胞壁如何将细胞间的机械应力转化为细胞内部信号的研究还很有限。

2022年8月18日，Nature Plants在线发表了德国马克斯普朗克分子植物生理研究所Arun Sampathkumar团队题为“Tethering of cellulose synthase to microtubules dampens mechano-induced cytoskeletal organization in Arabidopsis pavement cells”的研究论文。René Schneider为本文的第一作者，Arun Sampathkumar为通讯作者。本研究介绍了植物细胞壁、纤维素合酶以及微管细胞骨架组成的生物力学响应装置，与动物中整合素相关的响应机制不同，植物中纤维素合酶介导的机械连接可能抑制了微管细胞骨架对机械应力的响应能力。

研究人员剥离拟南芥种皮，观察不同时期扁平细胞（pavement cell, PC）微管细胞骨架（mCHERRY-TUA5）和纤维素合酶（GFP-CESA3）的动态变化。基本确定了在扁平细胞形态建成过程中，微管细胞骨架倾向于定位在细胞凹陷的区域（负曲率区域），同时CSCs也在此处定位。

既然微管细胞骨架在细胞形态发育过程中发挥重要作用，而且CSCs也与此过程有关，那么两者是否有直接调控关系？作者使用oryzalin处理植物，促使微管解聚，结果发现CSCs在细胞凹陷区域定位变得杂乱，并且整体荧光信号也减弱。作者观察微管与CSCs部分解离的突变体pom2-8，结果表明虽然微管能够正常定位，但是CSCs与其共定位的信号减弱。以上结果说明，微管能够影响CSCs的定位。那么微管与CSCs的密切关系，对细胞形态形成过程中微管组装有什么作用呢？已有研究结果表明pom2-8中纤维素含量降低，其细胞内的机械应力增加。作者继续观察突变体pom2-8，结果发现在细胞形态发育过程中，微管更多、更好地定位在细胞凹陷区域，但是细胞更多呈现的是相对简单的形态（凸起和凹陷减少，复杂程度降低）。突变体中微管较多定位在凹陷区域的原因很可能是突变体pom2-8中微管和CSCs的联系减弱了。那么在植物组织层面，微管和CSCS的结构如何对机械应力作出反应？作者在在立体显微镜下用注射器针尖切割子叶边缘进行消融实验，证明微管和CSCs的相互作用减弱了细胞对机械应力的响应。进一步结果表明，植物细胞受到的机械应力增加后，导致细胞质膜附近的CSCs密度降低，这反过来有助于微管细胞骨架定位在一定区域响应机械应力。

原文链接https://www.nature.com/articles/s41477-022-01218-7#Sec8

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转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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