植物液泡起源有突破 有助农业与药物发展

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香港中文大学生命科学学院姜里文教授带领由香港、日本和美国科学家组成的国际科硏团队,最近在硏究植物液泡起源方面取得重大突破,为生产药用蛋白提供新思路。

队利用三维电子断层扫描(3D Electron Tomography,ET)技术,以纳米分辨率揭示了植物根细胞中液泡起源的奥秘。有关硏究成果已刊载于著名学术期刊《自然 —— 植物》(Nature Plants)。

植物液泡

植物液泡(Vacuole)亦名液胞,是植物特有的结构,是植物细胞中最主要的细胞器,在调节植物生长和发育中有着重要作用。液泡具有多种功能,包括溶解、储存蛋白质和糖、维持膨胀压力、平衡细胞体积和防御反应等。此外,在植物种子生物反应器中,液泡被认为是用于储存和生产药用蛋白的理想细胞器。尽管液泡体积很大并具有多种功能,但在过去四十年中,植物溶解型液泡的起源机制仍存在争议,目前有两个不同的植物液泡起源模型。

第一个模型认为彼此分离的液泡是由内涵体(Endosomes)融合而成;而另一个模型则认为相互连通的液泡是由内质网(Endoplasmic Reticulum,ER)衍生而来。这两个模型都建基于二维透射电子显微镜和三维共聚焦显微镜的硏究结果。然而,鉴于植物液泡的复杂性和多变性,只有通过三维透射电子显微镜或全细胞断层扫描技术,以纳米分辨率分析,才能更好地揭示液泡的形成。

硏究的主要新发现包括:

  1. 三维电子断层扫描结果证明植物初生液泡为直径介于400-1000纳米彼此分离的小液泡(SV)
  2. 这些小液泡含有腔内小泡(ILVs),并由多囊泡体(MVBs)衍生而来。
  3. 全细胞电子断层扫描结果展示了在植物皮层细胞中,不同大小液泡的性质和彼此之间的关系(融合和分离)。

 

根据上述的新发现,硏究团队提出了植物细胞新的液泡发生模型,指出液泡是由多囊泡体融合衍生而来,其中包括一系列多种蛋白参与的融合过程。该模型对未来植物液泡硏究具有指导意义。

硏究不仅揭示了液泡起源的分子机制,且是未来液泡功能硏究的基础,将为提高农作物抗逆能力和抵抗病原体感染,以及用植物液泡(特别是种子储存型液泡)生产药用蛋白提供新见解。此外,硏究还建立了使用三维电子断层扫描技术在细胞器重建研究中的新标准。

姜里文教授表示:「是次硏究成果将重新定义教科书中有关植物液泡的概念,并对植物生物技术应用带来重大影响。液泡对于调节植物生长和发育以及对环境的反应是必不可少的。此外,在植物生物反应器中,种子中的液泡被认为是用于储存和生产治疗人类疾病药用蛋白的理想细胞器,是次研究亦为生产药用蛋白提供新思路。」3

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