近日，New Phytologist 雜誌在線發表了EON体育4林文慧研究組題為Two Tonoplast Proton Pumps Function in Arabidopsis Embryo Development的研究論文，報道了擬南芥液泡膜質子泵通過影響胚胎細胞液泡形態以及生長素信號調控胚發育以及形態建成的新功能，並將液泡形態、激素信號和發育過程緊密聯系起來👷‍♂️。博士研究生姜雨彤為第一作者，林文慧研究員為通訊作者，美國加州大學伯克利分校欒升教授為共同通訊作者。

液泡是成熟植物細胞中的大型細胞器，由液泡膜與其內部的細胞液組成。已知液泡的功能主要是調節細胞滲透壓，維持胞質的水分和pH值平衡，積累和貯存養料及多種代謝產物，降解細胞內的有害物質。液泡還能降解吞噬進液泡的衰老細胞器👾；並參與植物對微生物入侵的響應和抵抗。液泡膜具有特殊的選擇透性💟🪬，是液泡行使功能的基礎。液泡膜上有兩類質子泵：焦磷酸酶（V-PPase）和ATP酶（V-ATPase），共同調控離子跨液泡膜運輸，並影響液泡形態以及液泡內液的pH值。擬南芥的V-PPase是單基因編碼蛋白AVP1🧝🥧；V-ATPase是多亞基蛋白復合體，定位在液泡膜上的功能亞基是VHA a2和VHA a3🛃。AVP1的缺失突變體在生長發育過程中沒有明顯的異常，但影響植物的離子響應👩🏻‍🎤。VHA a2和VHA a3的雙突變體具有生長緩慢🤱、發育延遲、器官變小、育性下降等表型👨🏼‍🎨。令人驚訝的是，同時缺失兩類質子泵的三突變體仍能存活，其表型比VHAs雙突變體更為嚴重。但液泡膜質子泵如何調控植物生長發育目前所知甚少。

該研究鑒定了一個同時缺失AVP1、VHA a2和VHA a3的新突變體株系avp1 vha a2 vha a3（vap3），觀察發現其幼苗出現杯狀子葉、融合子葉、三子葉等子葉形態建成異常表型，在以往研究中未曾報道。通過重建VHA a2和VHA a3的雙突變體vha2以及同時缺失AVP1、VHA a2和VHA a3的另一個獨立三突變體株系fugu5-1 vha a2 vha a3（fap3）❤️‍🔥，該進一步確認只有同時缺失兩類質子泵的三突變體才會出現大量子葉形態建成異常的表型（超過90%），而雙突變體vha2僅有低於百分之一的子葉有輕微的形態建成異常🚴，說明兩類質子泵共同影響子葉形態建成。胚胎發育過程的詳細觀察發現，vap3和fap3三突變體的胚胎從第一次分裂起就產生異常。野生型對照的合子第一次不對稱分裂產生一個小而圓的頂細胞以及一個大而長的基細胞🐻；但三突變體的合子第一次分裂產生兩個大小和形狀都相似的細胞。進一步觀察發現🧑‍🦽，野生型對照的頂細胞中不含有肉眼可見的液泡，基細胞中含有一個大液泡；而三突變體的頂細胞含有較野生型大的清晰可見的液泡🛢，且基細胞中含有數個較野生型小的液泡。大量觀察發現，從一細胞胚開始到十六細胞胚，三突變體的胚胎和胚柄細胞中的液泡形態持續異常；從一細胞胚到子葉胚🈺，三突變體的胚胎細胞分裂和形態建成嚴重異常🫘。液泡形態和胚胎發育的異常緊密聯系，暗示液泡膜質子泵可能通過影響液泡形態調控胚胎發育和模式建成🚣🏼‍♂️。

三突變體的球形胚無法形成對稱的子葉原基突起，暗示同時缺失兩類質子泵可能影響生長素的極性運輸和分布🤹🏻。該研究檢測了突變體幼苗對生長素信號的響應，發現三突變體對重力不敏感、對外源生長素和生長素極性運輸抑製劑處理也不敏感，推測三突變體生長素信號異常🆒。將標記生長素極性運輸的PIN1-EYFP和標記生長素積累和分布的DR5-GUS引入質子泵相關突變體中，發現三突變體的胚胎和幼苗中的PIN1蛋白含量下降☪️，定位異常；三突變體的胚胎和幼苗中生長素的積累和分布異常。進一步實驗證明，三突變體中PIN1的蛋白水平和生長素的含量都明顯下降🚴。BFA處理實驗發現😮‍💨，三突變體中PIN1蛋白對BFA不敏感，無法像野生型對照一樣形成BFA小體👩‍❤️‍👨。以上結果表明同時缺失兩類質子泵導致三突變體生長素信號異常，這種異常可能是由於質子泵缺失破壞PIN1的細胞內運輸造成的👌🖕🏼。原生質體和液泡提取實驗證實三突變體的細胞和液泡均比野生型對照小。BECEF染色實驗證實三突變體中液泡形態異常，並且液泡內液的相對pH值比野生型高🤳，以上結果表明同時缺失兩類質子泵影響了細胞大小以及液泡形態🧷、大小和酸化。綜上所述👧🏼🌙，液泡膜質子泵可能通過調控液泡形態和生長素信號兩個途徑影響擬南芥的胚胎和幼苗形態建成👭。

此項工作得到了國家自然科學基金委、國家留學基金委、以及中國科EON4植物分子遺傳國家重點實驗室的項目資助。

原文鏈接🙅🏽：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.16231

文字轉載自《BioArt植物》