在植物適應空間飛行微重力環境研究方面獲進展

　　近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心光合與環境生物學實驗室研究員蔡偉明研究組在iScience上在線發表題為Pectin methylesterase gene AtPMEPCRA contributes to physiological adaptation to simulated and spaceflight microgravity in Arabidopsis的研究論文，報道了擬南芥果膠甲酯酶基因AtPMEPCRA參與太空微重力環境誘導的跨代適應性反應。該研究組前期利用“實踐十號”返回式衛星發現空間飛行微重力影響植物DNA甲基化水平，并在后續揭示了空間飛行微重力對擬南芥DNA甲基化水平的影響及其傳代效應。 

　　地球上所有的生物都是在重力環境中進化而來，重力對植物細胞生長發育非常重要。微重力環境是研究重力作用的獨到場景，近年來研究人員采用三維回轉器等操縱重力或模擬微重力效應。在微重力環境中，植物的形態發生和生長過程會發生改變。

　　果膠是植物細胞壁的主要成分之一，在高爾基體中合成并以高度甲酯化的形式分泌到細胞壁。果膠甲酯酶（PME）和果膠甲酯酶抑制劑（PMEI）共同作用于果膠的去甲酯化和重塑，進而影響與其密切相關的植物-微生物互作和脅迫響應等過程。PMEs分為type I/group 2和type II/group 1兩個亞家族，type I/group 2包含一個N端PRO區域。研究團隊近期通過模擬微重力鑒定發現，擬南芥I型PME亞家族成員PECTIN METHYLESTERASE（AtPMEPCRA）可能在植物適應空間微重力環境中發揮重要作用。微陣列數據顯示，AtPMEPCRA表達受到丁香假單胞桿菌侵染誘導上調。然而，AtPMEPCRA在植物生長發育、激素信號轉導和對模擬微重力脅迫響應中的作用在很大程度上尚不清楚。

　　該研究對暴露于模擬或實際微重力環境的擬南芥幼苗進行了檢測分析，發現模擬微重力顯著抑制幼苗的PME活性。PME活性與果膠完整性和植物生長有關，其水平的下降被認為是植物適應性響應的一部分。因植物激素在適應性響應中起關鍵作用，研究人員對野生型和不同激素信號轉導突變體中的PME活性進行比較發現，模擬微重力對PME活性的抑制部分依賴于脫落酸（ABA）。在轉錄表達水平檢測I型PME亞家族成員對微重力的響應，結果表明AtPMEPCRA表達下調在微重力環境誘導的PME活性抑制中發揮核心作用。

　　Col-0野生型和pmepcra T-DNA插入突變體表型比較分析顯示，擬南芥幼苗在微重力生長環境下的葉片明顯大于地球重力環境生長的幼苗葉片，而AtPMEPCRA對這一差異的形成至關重要（圖1），說明AtPMEPCRA基因在調控葉片生長和形態發生以獲得微重力環境適應性的關鍵作用。進一步分析發現，AtPMEPCRA表達響應微重力的下調部分是由甲基化模式的變化引起的，并且其甲基化狀態的變化不僅存在于空間飛行環境下生長的擬南芥當代植株，也存在于地球重力環境中生長的F1后代。AtPMEPCRA甲基化狀態的留存可能導致基因表達模式的改變，從而有助于后代對微重力環境的生理適應（圖2）。

　　研究工作得到國家自然科學基金委、中科院戰略性先導科技專項等項目的資助。

　　論文鏈接

圖1 擬南芥Col-0野生型與atpmepcra T-DNA插入突變體幼苗在微重力或重力生長條件下的平均葉面積比較

圖2 Col-0和atpmepcra T-DNA插入突變體F1后代在太空或地球生長條件下的角果長度、根長、開花時間和向重性比較分析