近日，首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院于榮課題組在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表了題為“擬南芥微管結(jié)合蛋白MDP60在乙烯誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉中的作用”的論文。該研究通過多維度實(shí)驗(yàn)證實(shí)MDP60通過調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞微管骨架的動(dòng)態(tài)組裝，參與乙烯信號(hào)介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉通路，為解析植物氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)控機(jī)制提供了新視角。

背景介紹

氣孔是陸生植物葉表由一對(duì)保衛(wèi)細(xì)胞圍成的特殊孔隙結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著植物與大氣間95%的氣體交換，是光合作用碳同化與蒸騰作用水分散失的核心通道，同時(shí)也是抵御病原菌入侵的第一道免疫防線。在全球氣候變化加劇、干旱等非生物脅迫頻發(fā)的背景下，如何精準(zhǔn)調(diào)控氣孔開度，實(shí)現(xiàn)“增碳減水”的優(yōu)化平衡，已成為植物學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

植物激素乙烯作為核心逆境信號(hào)分子，不僅調(diào)控植物生長發(fā)育，更在介導(dǎo)氣孔關(guān)閉、增強(qiáng)抗逆性中發(fā)揮關(guān)鍵作用。而微管骨架作為細(xì)胞骨架的重要組成，其動(dòng)態(tài)重組被證實(shí)參與氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)控，可為氣孔運(yùn)動(dòng)提供力學(xué)支撐。微管結(jié)合蛋白（microtubule associated proteins, MAPs）是微管動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的直接調(diào)節(jié)者，已有研究表明WDL3、SPR1等MAPs參與ABA信號(hào)介導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，但乙烯信號(hào)通路中微管骨架及相關(guān)結(jié)合蛋白的調(diào)控機(jī)制仍不明確。

MDP60（microtubule-destabilizing protein 60）作為已鑒定的微管結(jié)合蛋白，其啟動(dòng)子可被乙烯信號(hào)通路關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子PIF3直接結(jié)合，暗示其可能介導(dǎo)乙烯與微管骨架的信號(hào)關(guān)聯(lián)。此前研究僅發(fā)現(xiàn)MDP60 參與下胚軸生長及水淹脅迫響應(yīng)，其在氣孔運(yùn)動(dòng)中的功能尚未見報(bào)道。

內(nèi)容簡介

本研究以MDP60基因編輯突變體（mdp60-2、mdp60-3）、過表達(dá)株系（MDP60 OE、MDP60 OE）及ProMDP60:GUS等擬南芥植株為研究材料，結(jié)合生理學(xué)檢測(cè)、細(xì)胞生物學(xué)觀察及分子生物學(xué)技術(shù)，系統(tǒng)探究MDP60在乙烯誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉中的作用機(jī)制。

研究首先通過葉片失水率與葉溫檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，mdp60突變體離體葉片失水率顯著低于野生型，葉溫則明顯升高；而MDP60過表達(dá)植株表現(xiàn)相反，表明MDP60參與調(diào)控植物蒸騰失水過程。GUS組織化學(xué)染色結(jié)果證實(shí)，MDP60基因在保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)，為其調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng)提供了細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。

氣孔開度實(shí)驗(yàn)顯示，乙烯處理后mdp60突變體氣孔關(guān)閉程度顯著高于野生型，對(duì)乙烯信號(hào)更敏感；而過表達(dá)株系氣孔關(guān)閉幅度明顯減小。疊加微管特異性藥物處理實(shí)驗(yàn)表明，mdp60突變體對(duì)微管穩(wěn)定劑Taxol和解聚劑oryzalin的敏感性均降低，提示MDP60通過影響微管動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換調(diào)控氣孔運(yùn)動(dòng)。

激光共聚焦顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，乙烯處理后mdp60突變體保衛(wèi)細(xì)胞中輻射狀規(guī)則排布的微管比例從76.2%驟降至16.7%，解聚碎片化微管比例顯著升高，且微管密度低于野生型。熒光漂白恢復(fù)（fluorescence recovery after photobleaching, FRAP）實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)，mdp60突變體保衛(wèi)細(xì)胞微管的解聚- 聚合轉(zhuǎn)換頻率加快，動(dòng)態(tài)重排更活躍。

綜合以上結(jié)果，研究者提出MDP60的作用模式：乙烯信號(hào)通過轉(zhuǎn)錄因子PIF3上調(diào)MDP60表達(dá)，MDP60通過調(diào)節(jié)保衛(wèi)細(xì)胞微管骨架的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)組裝，負(fù)調(diào)控乙烯誘導(dǎo)的氣孔關(guān)閉，進(jìn)而影響植物蒸騰失水與耐旱能力。此外，初步研究發(fā)現(xiàn)乙烯利（ETH）處理后，mdp60突變體保衛(wèi)細(xì)胞中H2O2積累量高于野生型，暗示MDP60可能與活性氧信號(hào)存在交叉互作，為后續(xù)研究提供了新方向。

本研究不僅深化了對(duì)氣孔運(yùn)動(dòng)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)，也為未來通過調(diào)控細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白改良作物水分利用效率提供了新思路。在全球氣候變化與水資源日益緊張的背景下，此類基礎(chǔ)研究將有助于推動(dòng)節(jié)水農(nóng)業(yè)與植物適應(yīng)性改良的創(chuàng)新發(fā)展。

首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院于榮副教授為論文的通訊作者，研究生趙蓋晴(已畢業(yè))、胡淼為共同第一作者。研究生孫鵬方、王梓軒參與了論文校對(duì)，并為論文寫作提供了幫助。相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金（31871351）的資助。衷心感謝中國農(nóng)業(yè)大學(xué)毛同林教授提供的mdp60突變體、過表達(dá)及ProMDP60:GUS種子，中國科學(xué)院微生物研究所孔照勝教授提供的pTUB6::VisGreen-TUB6 種子。同時(shí)感謝清華大學(xué)黃善金教授和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)毛同林教授對(duì)本研究的指導(dǎo)與建議。

文章信息

趙蓋晴，胡淼，孫鵬方，等.擬南芥微管結(jié)合蛋白MDP60在乙烯誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉中的作用. 科學(xué)通報(bào), 2026.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2025-5653.

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