Nature Plants|光遗传学助力植物研究
自科学杂志《科学》称“光遗传学”为“十年的突破”以来已经快十年了。
简而言之，该技术使利用光脉冲控制细胞的电活动成为可能。
借助它的帮助，科学家们可以例如对神经细胞的功能获得新的见解，从而更好地了解神经系统和精神疾病，例如抑郁症和精神分裂症。
建立动物细胞程序
在动物细胞研究中，光遗传学现已成为许多领域中使用的成熟技术。
在植物研究中，情况有所不同：直到现在，才可以将原理转移到植物细胞中并广泛应用。
但是，现在情况已经改变了：维尔茨堡朱利叶斯·马克西米利安大学（JMU）的科学家已经成功地在烟草植物中应用了光遗传学方法。
他们在最新一期的《自然植物》杂志上介绍了他们的工作成果。
“特别是，Hedrich教授小组（植物学I）的Kai Konrad博士和我小组的高世强博士主要负责该项目的成功。”光遗传学联合创始人Georg Nagel教授解释说。
除了生理学研究所的神经生理学系外，Julius-von-Sachs研究所的三位主席也参与了合作：植物学I，植物学II和药物生物学。
电灯开关，用于细胞活动
内格尔说：“光遗传学是在通过基因工程方法将“光传感器”引入细胞或生物后，通过光操纵细胞或生物。特别是，光控阳离子通道channelrhodopsin-2帮助光遗传学取得了突破。”
，描述他共同开发的方法。
借助于通道视紫红质，可以像使用电灯开关一样打开和关闭细胞的活性。
然而，到目前为止，在植物细胞中，这种方法仅在有限的范围内起作用。
造成这种情况的主要原因有两个：“很难对植物进行基因改造以使其功能上产生视紫红质。此外，它们缺乏视紫红质不能起作用的关键辅因子：全反式视网膜，也称为维生素A，”
高医师
植物细胞的绿灯
Nagel教授，Gao博士，Konrad博士及其同事现在已经能够解决这两个问题。
他们已经通过从海洋细菌中引入的酶成功地在烟草植物中生产了维生素A，从而使视紫红质能够更好地掺入细胞膜中。
这首次允许通过所谓的阴离子通道视紫红质GtACR1通过光对完整的植物或选定的细胞进行非侵入式操作。
在较早的方法中，来自Botany I的植物生理学家已将急需的辅因子维生素A人工添加到细胞中，以使轻度门控的阳离子通道在植物细胞中变得活跃（Reyer等，2020，PNAS）。
利用现在提出的遗传技巧，纳吉尔教授及其同事培育出了除视紫红质外还产生一种特殊酶的植物，称为双加氧酶。
这些植物然后能够从植物叶绿体中富含的原维生素A产生维生素A（通常在植物中不存在）。
维生素A的生产与植物视紫质的优化相结合，最终使Nagel教授，Konrad博士和Gao博士领导的研究人员取得了成功。
植物研究的新方法
Konrad博士解释说：“如果用绿光照射这些细胞，则带负电粒子的细胞膜渗透率会急剧增加，并且膜电位会发生明显变化。”
他说，通过这种方式，可以专门操纵花粉管的生长和例如叶片的发育，从而详细研究植物生长过程的分子机制。
维尔茨堡大学的研究人员充满信心，这种新颖的植物遗传学研究方法将极大地促进将来对以前被误解的信号通路的分析。
光遗传学的先驱
视紫红质是一种自然光敏性色素，可在许多生物中形成视觉基础。
Georg Nagel于1995年与法兰克福的Max Planck生物物理研究所的Ernst Bamberg一起首次证明了古细菌（细菌视紫红质）的光敏离子泵可以整合到脊椎动物细胞中并起作用的事实。
在2002/2003年，藻类的光敏离子通道也实现了这一证明。
内格尔与彼得·赫格曼（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Channelrhodopsin-1和channelrhodopsin-2（ChR1 / ChR2）的存在。
当基因在脊椎动物细胞中表达时，光诱导的膜电流和膜电压变化。
另外，ChR2的小尺寸使其非常易于使用。
自那以后，内格尔就因这项发现而获得了无数奖项，最近一次是在2020年-与光遗传学的其他两位先驱一起-获得了120万美元的邵氏生命科学奖。
Journal Reference:
Yang Zhou, Meiqi Ding, Shiqiang Gao, Jing Yu-Strzelczyk, Markus Krischke, Xiaodong Duan, Jana Leide, Markus Riederer, Martin J. Mueller, Rainer Hedrich, Kai R. Konrad, Georg Nagel. Optogenetic control of plant growth by a microbial rhodopsin. Nature Plants, 2021 DOI: 10.1038/s41477-021-00860-x
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