植物液泡是植物细胞中一种特殊的、极其重要的细胞器。液泡的起源与植物的演化密切相关。其主要功能包括维持细胞内酸碱平衡和膨压、调节物质的储存和运输、经内吞及溶酶体-液泡途径调控蛋白的运输和定位,以及参与植物对生物和非生物胁迫的响应。此外,定位于液泡膜或液泡腔内的蛋白对作物果实的品质至关重要。
近日,Molecular Horticulture在线发表了上海交通大学生命科学技术学院林文慧研究组的综述论文,题为Multiple functions of the vacuole in plant
growth and fruit quality。该文系统介绍了液泡研究中的前沿技术手段、不同类型液泡形成的学说、液泡在植物生长发育、果实品质及植物-微生物互作中的功能及其调控机制,着重阐述了液泡对植物生长与果实品质的重要性,并指出研究液泡的生成和功能不但具有重要科学意义,也具有潜在应用价值。
该综述首先介绍了亚细胞水平实时观察与研究特定组织/器官的液泡的方法。得益于目前日益发展的前沿技术,对液泡的功能和调控机制的研究取得了极大进展,主要的显微观察技术包括(1)基于激光共聚焦显微镜的实时成像技术;(2)三维层析成像技术结合场发射扫描电子显微镜技术;(3)可变角度-全内反射荧光显微镜技术等。其次,综述还回顾了不同类型液泡形成的不同学说:(1)裂解液泡(Lytic Vacuoles, LVs)在几乎所有的植物组织中均有存在,功能类似动物中的溶酶体,参与物质的转运、贮存及降解。起源假说主要有内质网起源,高尔基体起源和独立起源;(2)蛋白质贮存液泡(Protein Storage Vacuoles, PSVs),主要出现在胚胎发育后期至种子萌发阶段,在灌浆过程中参与蛋白贮存与协调矿物质营养。不同植物中的蛋白质贮存液泡起源方式不同,主要分为从头合成以及由裂解液泡转化而成。作者以生长素极性运输蛋白PIN为例,介绍液泡参与的转运途径如何决定关键蛋白在内膜系统的精确定位。随后,该工作系统介绍了液泡在植物种子萌发、营养期生长、开花、以及果实品质形成中的作用。液泡作为基本的贮存器官,广泛调控游离氨基酸、糖、离子、次生代谢物与水分的分布。液泡的形态变化与极性定位,极大的影响了细胞伸长、胚胎发育、模式建成与授粉等过程。果实中决定糖分与酸转运和转化的蛋白大多定位于液泡,其功能及其调控机制的研究对改良食用性果实的口感与风味具有重要的作用。最后,作者总结了液泡如何参与植物响应生物与非生物胁迫,例如液泡维持离子稳态,响应缺水性胁迫。作为微生物感染介质,液泡为有益共生菌提供生长空间与营养,参与细胞程序死亡以抵御病原增殖。植物液泡的功能研究为农作物改良提供了分子水平的理论参考。
植物液泡在调控作物品质中的功能
植物液泡在响应生物胁迫中的功能
上海交通大学生命科学与技术学院博士生姜雨彤为综述第一作者,林文慧教授为通讯作者,上海交通大学生命科学与技术学院博士生杨露涵以及东京传艺大学的Ali Ferjani博士参与了综述的撰写。该工作获得国家自然科学基金(32070342等)、上海交通大学SJTU JiRLMDS联合研究基金(MDS-JF-2020-8)、上海交通大学Agri-X跨学科基金、上海交通大学Bio-X跨学科基金以及上海交通大学科技创新基金(19X160020009)等项目的支持。
来源:植物生物学
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