光遗传学（Optogenetics）是利用光照控制细胞生理活动并进行研究的技术。来自德国维尔茨堡大学（University of Wuerzburg）的科学家现在成功地将该技术转移到了植物生理学研究中，这一成果以Optogenetic control of plant growth by a microbial rhodopsin为题发表在最新一期的Nature Plants杂志上的。
十年前，Science 杂志将光遗传学评为“十年内的重大突破技术”。该技术使利用光脉冲控制细胞的电生理活动成为可能。光遗传学是利用基因工程将“光受体蛋白”导入特定细胞或生物后，通过光对它们进行操控。光控阳离子通道Channelrhodopsin-2是目前在光遗传学技术中应用最多的光受体工具。Channelrhodopsin-2是一种视紫红质蛋白。视紫红质蛋白是一种自然光敏蛋白，是许多生物视力的基础。德国马克斯·普朗克生物物理研究所的Georg Nagel和Ernst Bamberg于1995年首次证明，可以将来自古细菌（细菌视紫红质）的光控离子泵表达在动物细胞中并在其中起到调控跨膜电流的作用。之后Georg Nagel和Peter Hegemann一起在2002年和2003年发表的两篇论文中证明了两种光敏通道蛋白的存在：Channelrhodopsin-1和Channelrhodopsin-2。更重要的是，当Channelrhodopsin-2在脊椎动物细胞中表达时，会触发极快的，光诱导的膜电流和张力变化。借助于这一通道型视紫红质Channelrhodopsin-2，研究者可以像使用电灯开关一样控制可激发细胞的电生理活动。在Channelrhodopsin-2发表后的2005年到2006年便有世界各地的五个独立研究小组发表了Channelrhodopsin-2在不同细胞和动物模型中的应用研究。Karl Deisseroth通过邮件联系Georg Nagel寻求合作拿到Channelrhodopsin-2的质粒，在Edward Boyden和如今CRISPR领域赫赫有名的张锋博士的努力下在小鼠海马神经元中成功表达ChR2并应用其控制神经细胞的动作电位（doi.org/10.1038/nn1525）。同时Georg Nagel与青年研究学Alexander Gottschalk合作，首次利用ChR2 H134R突变体实现蓝光控制线虫的运动（DOI: 10.1016/j.cub.2005.11.032）。同期，华人学者潘卓华也运用ChR2研究小鼠的视力恢复（doi: 10.1016/j.neuron.2006.02.026）。Stefan Herlitze（doi.org/10.1073/pnas.0509030102） 和Hiromu Yawo（doi.org/10.1016/j.neures.2005.10.009）研究组也在大约同一时期发表了ChR2在哺乳动物细胞和神经细胞中应用研究。如今在光遗传学技术的帮助下，科学家们可以获得对神经细胞功能的精准解析，从而更好地了解神经系统疾病和精神疾病，例如抑郁症和精神分裂症。在动物细胞研究中，光遗传学现已成为一项成熟技术并应用于众多领域。而与动物细胞相对应，植物细胞也存在电信号传导和动作电位等电生理行为。近期已开始有部分将光遗传技术应用于植物研究领域的研究报道。2019 年Science的一篇文章报道了英国科学家将一个光控钾离子通道表达在植物中并促进其生长的研究（DOI: 10.1126/science.aaw0046）。2020年，Matias Zurbriggen课题组在植物系统中成功构建了一个光控表达系统（DOI: 10.1038/s41592-020-0868-y）。不过目前为止，基于光控视紫红质（rhodopsin）通道蛋白的光遗传学技术仍无法大规模转移到植物细胞中并广泛应用。在植物中应用光遗传学技术主要受制于三个问题：2）植物中缺少维持视紫红质蛋白的色素分子视黄醛（all trans retinal, 也称维生素A醛）；植物生长需光问题可以利用日益发展的LED光照技术解决。实验所用的烟草在研究者选用的红光LED下可以正常生长。进而，研究者引入一个来自海洋细菌的酶并将其定位到叶绿体中，利用叶绿体中丰富的胡萝卜素产生视黄醛，从而解决了色素分子缺乏的问题。最后，通过的基因工程改造，研究者有效提升了阴离子通道视紫红质蛋白GtACR1的膜定位表达。研究者将这几个关键蛋白元件融合在一起用于转基因植物，整体分子结构和通路设计见下图。并最终实现了利用阴离子通道视紫红质GtACR1通过光照对完整植物或特定细胞进行非侵入式操控。该研究采用的光受体蛋白GtACR1主要由绿光激活（绿光是可见光区域最不易引起植物本底反应的波段），这些转基因植物细胞被绿光照射时，细胞膜对带负电粒子的渗透性会急剧增加，膜电位会发生显着变化。利用这种方式，可以有针对性地操纵花粉管的生长和叶片的发育，从而深入研究植物生长过程的分子机理。在该研究中，研究人员通过亚细胞层次的局部光照控制了花粉管的生长方向。这项技术突破将助力更多的基于视紫红质蛋白的光遗传学工具应用到植物学研究中，包括光控非特异性阳离子通道，特异性氢离子通道，高钙离子通透型通道，离子泵和经由视紫红质蛋白改造的电压传感器（rhodopsin-based voltage sensor）等。该技术在未来解析植物应对病原物和环境胁迫的信号产生和传导途径方面将会起到重要作用。维尔茨堡大学的华人学者高世强，Kai Konrad和Georg Nagel是这项研究的共同通讯作者。本研究的具体方案主要由高世强设计，主要资助来源是Georg Nagel所获奖金和德国科学基金会。具体实验工作主要由受国家留学基金委CSC资助的博士生周杨和丁美琪完成。来自中国的博士生于晶，段小冬和来自维尔茨堡大学植物所，药物所，生理所的研究者一起参与了该项目的完成。Georg Nagel是光遗传学的创始人之一，由于发现Channelrhodopsin的功能而获得不少国际大奖。其最近一次获奖是2020年-与来自牛津大学的Gero Miesenböck 和柏林洪堡大学的Peter Hegeman一起获得了价值120万美元的邵氏生物科学奖。
如对该研究感兴趣，需要其它有关该研究的信息，请联系高世强 博士。
高世强 博士 维尔茨堡大学 生理学研究所-神经生理学系
电话：+49 931 318 2435
Email: gao.shiqiang@uni-wuerzburg.de
https://www.nature.com/articles/s41477-021-00853-w
