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新领域!连发5篇,用生物传感器实时观察植物新陈代谢
来源:iPlants | 2020/8/23 7:12:00 | 浏览:303 | 评论:0

生物传感器(Biosensor)是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的物质。研究人员使用体内生物传感可以实时研究活生物体,组织或细胞,具有快速获得数据的优势。现在使用的生物传感器最初开发是用于神经细胞研究,之后研究人员对该传感器进行了改进和开发,使其可以在植物中使用,克服了以往方法既不能在活细胞进行检测及实时检测,亦不能检测植物内不同细胞以及不同亚细胞空间各自的分子水平。故生物传感器的利用,将极大促进研究人员对领域的深度认知。

我们iPlants注意到最近一年来,已经有5篇高水平文章(包括2篇Nature Plants 和 Nature Communication、PNAS及Plant Cell各一篇)利用传感器实时检测植物各代谢产物(NADH / NAD+、脂质磷脂酸PAH2O2和ATP)的研究进展,对于各领域深入研究提供了有力的方法,开创了植物研究的新领域---利用传感器实时观察植物新陈代谢研究。它们分别是:

1. 2020年6月26日,Nature Communications 杂志在线发表了来自香港大学林文量课题组题为“In planta study of photosynthesis and photorespiration using NADPH and NADH/NAD+ fluorescent protein sensors”的研究文章。该研究通过将两种新颖的传感器导入拟南芥,用于实时测量植物中NADPH水平和NADH / NAD+比率的动态变化.


新领域!连发5篇,用生物传感器实时观察植物新陈代谢线粒体在光合作用时究竟使用哪个来源的NADH去製造ATP,却一直未有肯定答案。有些学者认为,在光合作用过程中,由叶绿体生产多馀的NADPH还原力,会以苹果酸的形式从叶绿体输出到细胞质之中,再透过线粒体膜苹果酸-草酰乙酸酯(OAA)转运体输入线粒体,经合成转化NADH予线粒体製造ATP。亦有其他学者认为,在C3拟南芥的光合作用过程中,光呼吸能生产大量NADH予线粒体作生产ATP之用,而多馀的NADH所带有的还原力,以苹果酸的形式通过苹果酸-草酰乙酸酯转运体,从线粒体输出到细胞质之中。因此这个问题在科学界一直没有共识。

该研究将两种新颖的传感器导入拟南芥,用于实时测量光照後植物细胞不同亚细胞空间的NADPH水平以及NADH/NAD+比率的动态变化,并且研究发现光合作用期间,光呼吸会向线粒体提供大量的NADH,超过了线粒体消散NADH作生产ATP能力。因此,多余的NADH必须通过线粒体的苹果酸-草酰乙酸酯转运体从线粒体输出苹果酸到细胞质中,继而会在细胞中累积(见下图),揭示了叶绿体和线粒体在光合作用过程中的能量输送,有助将来提高植物光合作用的效率。

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论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-17056-0


2. 2020年8月13日,The Plant Cell杂志在线发表了来自德国明斯特大学Markus Schwarzländera课题组题为“In Vivo NADH/NAD+ Biosensing Reveals the Dynamics of Cytosolic Redox Metabolism in Plants”的研究论文,该研究同样采用一种新的体内NADH/NAD+生物传感器技术方法,使能够实时监控环境变化(例如光,温度,干旱,洪水或害虫侵扰)对植物代谢的影响。

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该研究在植物内部表达了一种基因编码的传感器,其可以直接结合释放NAD +和NADH分子。传感器由一种荧光蓝绿色蛋白和一种红色蛋白组成,它们都根据细胞中NAD的状态而改变其亮度。此外,该研究除了能跟踪氧化还原代谢的动态变化外,还可以在活植物中观察到从特定的细胞器到单个细胞,甚至整个器官的NAD +水平。因此,该研究创建整个植物的第一个NAD氧化还原图,并观察从亮到暗过渡以及糖状态,细胞呼吸和氧气供应变化的氧化还原动态。新领域!连发5篇,用生物传感器实时观察植物新陈代谢

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论文链接:http://www.plantcell.org/content/early/2020/08/13/tpc.20.00241

3. 2019年8月26日,Nature Plants杂志在线发表了来自南京农业大学章文华课题组题为“Tissue-specific accumulation of pH-sensing phosphatidic acid determines plant stress tolerance”的研究论文。该研究通过开发脂质磷脂酸PA的生物传感器PAleon,并揭示其信号与细胞pH动态相结合,介导植物对盐胁迫的反应!

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在该研究中开发了一种PA特异性光遗传学生物传感器PAleon。该方法基于Förster共振能量转移(FRET)报告质膜上生物活性PA的浓度和动态。

新领域!连发5篇,用生物传感器实时观察植物新陈代谢研究表明,PAleon足够敏感,可以监测活细胞中PA的生理浓度,并在用脱落酸(ABA)和盐胁迫处理时可视化组织中亚细胞分辨率下的PA动态。PAleon生物成像揭示了盐胁迫引发的PA积累的动力学和组织特异性。与野生型拟南芥相比,缺乏磷脂酶Dα1(PLDα1)的pldα1突变体对PA产生表现出延迟和减少的PA积累。野生型和pldα1突变体的比较分析表明,细胞pH调节PA与靶蛋白的相互作用和PLD / PA介导的盐耐受性。 因此,PA生物传感器PAleon的应用揭示了植物组织中特定的时空PA动态。同时还表明,PA信号通路与细胞pH动态相结合,介导植物对盐胁迫的反应。

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图. 盐胁迫中PA与pH均衡的相互关系

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41477-019-0497-6

4. 2020年4月15日,Nature Plants杂志在线发表了来自美国麻省理工大学Michael S. Strano课题组题为“Real-time detection of wound-induced H2O2 signalling waves in plants with optical nanosensors”的研究论文。该研究开发了一种基于H2O2选择性单壁碳纳米管(SWNT)为基础的纳米传感器,该探针在模型植物和非模型植物中能对伤口诱导的H2O2信号传导途径进行非破坏性和实时的研究。

当前技术来研究H2O2信号动力学主要局限于使用荧光染料和组织化学试剂。然而,这些方法通常对植物具有破坏性难以应用于叶片,同时,还需要较长的温育时间并且与H2O2发生不可逆反应,因此,不可能做到实时监测植物天然状态下的H2O2信号传导。

该研究串联使用一对DNA包裹的SWNT(单壁纳米管)探针作为体内检测内源性H2O2 的比率来测定植物内信号变化。体外实验表明,包裹在ss(GT)15寡核苷酸中的SWNT(以下称为G-SWNT)的荧光强度在H2O2存在下被淬灭,从而促进了它们作为活性传感器的应用。另一方面,包裹在ss(AT)15寡核苷酸(以下称为A-SWNTs)中的SWNT物种的荧光信号对于H2O2保持不变,从而使其能够作为参考。此外,传感器对H2O2的响应是可逆的,如随后添加过氧化氢酶所示,该过氧化氢酶可将H 2 O 2分解为H2O和O2。所以,这种可逆的传感机制激发了传感器能在植物体内的应用。

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之后,该研究通过检测6种植物物种(包括生菜,Eruca sativa,Spinacia oleracea、Blitum capitatum、Rumex acetosa和拟南芥,发现受伤后的H2O2浓度分布遵循对数波形:按波速从0.44到3.10 cm/min排列,证明了这种纳米粒子介导方法的多功能性。此外,该研究表明,植物RbohD谷氨酸受体样通道(GLR3.3和GLR3.6)都是对伤口诱导H2O2波传播的关键。

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因此,该研究发现了一种新型的纳米传感器探针,该探针与物种无关,能够在植物中进行实时,空间和时间的H2O2生化测量。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41477-020-0632-4

5. 2018年10月23日,PNAS在线发表了来自香港大学生物科学学院的林文量团队,与德国,美国及瑞典的科学家合作题为“ATP compartmentation in Arabidopsis thaliana revealed by fluorescent protein sensing”的研究论文。该研究利用转基因技术把能够量度ATP含量的荧光蛋白,导入模式植物拟南芥叶绿体及细胞质中,以实时监测植物体内的ATP浓度变化。


1969年,著名植物科学家兼《植物生物化学》教科书作者H.W Heldt教授,通过放射性定量方法证明了ATP可自由地跨过成熟的叶绿体膜。然而事实是否真正如此?
该研究将荧光ATP传感器引入到拟南芥的细胞质和叶绿体中以进一步研究这个问题。研究发现发现幼苗中的叶绿体和细胞质中的ATP浓度相近。但是,当幼苗长大时,叶绿体中的ATP浓度会明显下降,而细胞质中的ATP浓度远高于叶绿体中ATP的浓度。意味着植物限制成熟叶绿体输入细胞质ATP,因为在发育的早期阶段,未成熟的叶绿体需要吸收外源的ATP来进行生物合成。当叶绿体充分发育并能够自我维持时,需通过下调ATP转运蛋白的表达,来保证白天通过光合作用产生的能量不会在晚上被叶绿体消耗尽。

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图中红色和绿色的部分显示含有ATP蛋白感受器的3天大幼苗,在470 nm – 507 nm和526 nm – 545 nm波长下的影像。左下图显示了这红绿影像之间的比率,代表了ATP的浓度(红色代表高浓度,绿色代表低浓度)。右下图显示同一幼苗的白光图像。


论文链接:https://doi.org/10.1073/pnas.1711497115
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