Nat Commun.|植物进化过程中获取细胞器的常用策略,地钱的油体和细胞板都是由分泌通路的重定向

细胞是生命的基本单位，被一种称为质膜的限制性膜所包围。在细胞内，有各种以膜为界的细胞器，每一种细胞器都有不同的功能。这些单独拥有不同功能的细胞器在进化过程中是如何发育的，目前尚不清楚。这一现象引起了许多研究者的兴趣。

发表在《自然通讯》上的这项研究揭示了苔类细胞中两种不同细胞器之间的进化关系：在细胞分裂过程中分裂细胞的细胞板和储存各种化学物质的油体。 细胞器之间交换蛋白质和脂质的机制对细胞活动非常重要，被称为“膜交通”。

由国立基础生物学研究所（NIBB）的Takashi Ueda教授和助理教授Takehiko Kanazawa领导的研究小组将研究重点放在了一组名为SYP1的蛋白质上，在膜交通中起着关键作用的是地衣。 他们发现MpSYP12A，一种属于苔类植物SYP1组的蛋白质，是形成细胞板所必需的。他们还发现，MpSYP12B是一种与MpSYP12A非常相似的蛋白质，只在含有油体的细胞中起作用，并靶向油体的膜。 通过研究MpSYP12B是如何定位于油体膜的，研究小组发现分泌途径的方向，通常沿着质膜和细胞外空间传递，在油体形成过程中被重定向到油体。

植物进化过程中获取细胞器的常用策略。地钱的油体和细胞板都是由分泌通路的重定向(蓝色)产生的。细胞板的形成也涉及重定向内吞通路(红色)。来源: nibb

研究小组的负责人Takashi Ueda教授说：“这些细胞器是如何在进化过程中产生的，这几乎是个未知数，尽管已经提出了一个理论框架，说明细胞器是通过扩张和膜交通机械部件的新功能化获得的。我们的结果为这一假说提供了有力的实证支持，即细胞器共生假说。” 此外，课题组还发现了油体形成的主调节因子MpERF13。MpERF13功能的丧失导致油体的完全丧失，而MpERF13功能的增强则导致整个油体的过度生成。 研究小组还调查了油体的生物学意义，这一点此前并不十分清楚。金泽武彦博士进行了一项实验，将饥饿的药丸病菌放在一个有盖培养皿中，培养皿中含有没有或生成过多油体的苔类植物，并比较它们的取食情况。 回顾大学时代，这篇文章的第一作者金泽武彦（takehikokanazawa）博士说：“当我开始研究这种植物时，我吃了一些苔类植物。味道真的很难吃。这种极端的经历帮助我想到了药丸细菌分析法来探索油体的生物功能。”

将饥饿的药虫放入没有或有过分生油体的含有艾蒿的皮氏培养皿中，并比较其草食性。 没有药性的地草被药虫吃掉了，但油体数量增加的地草却没有被食用，这表明该油体具有保护食草动物（包括节肢动物）的功能。 图片来源：NIBB金泽武彦

没有油体的苔类被丸虫吃掉，但油体数量增加的苔类没有被吃，说明油体对节肢动物等食草动物有保护作用。 油体积聚各种具有不同生物活性的化合物，其中一些已被报道具有抗菌、抗癌和/或抗病毒活性。本研究所揭示的油体形成的机理及其所涉及的一组基因，可用于此类有用化合物的高效生产。

More information: Takehiko Kanazawa et al. The liverwort oil body is formed by redirection of the secretory pathway, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-19978-1

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